Підвищення ефективності сепараційного устаткування компресорних установок нафтогазової промисловості

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СЕПАРАЦійНОГО УСТАТКУВАННЯ КОМПРЕСОРНИХ УСТАНОВОК НАФТОГАЗОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Ляпощенко О.О., асп.; мол. наук. співробітник;

Склабінський В.І., д-р техн. наук, проф.

Сумський державний університет

Сепараційне устаткування є обов'язковим елементом кожної з технологічних схем промислової підготовки нафти та газу на нафтових, газових і газоконденсатних родовищах, а також складовою частиною нафтогазопромислового устаткування у процесах переробки газового конденсату, компримування газу та його охолодження на прикінцевій стадії експлуатації родовища, попереднім ступенем відділення газу від рідини на компресорних станціях магістральних нафто- та газопроводів.

Традиційно застосовувані гравітаційні й інерційні сепаратори мають низьку ефективність і малу продуктивність по газу [1-5]. Наявність краплинної рідини і твердих частинок у газі призводить до зниження продуктивності й коефіцієнта використання магістральних трубопроводів у середньому на 20-25% через підвищення гідравлічного опору [3], а також швидкого зносу лопаток турбокомпресорів на дотискувальних компресорних станціях.

З метою підвищення ефективності сепарації доцільне обладнання газосепараторів додатковою фільтруючою секцією, що дає можливість уловлювання високодисперсної складової суміші [6-7] (рис.1).

Ця стаття має на меті звернути увагу на спосіб підвищення ефективності сепараційного устаткування компресорних установок нафтогазової промисловості. Основні цілі статті -- математичне моделювання газодинаміки руху газорідинного потоку за інерційною та фільтруючою секціями газосепаратора запропонованої конструкції зі спробами комп'ютерного моделювання течії потоку природного газу в створеній геометричній конфігурації розрахункової ділянки сепараційного каналу.

Дисперсний склад туману на вході до сепаратора підлягає логарифмічно-нормальному закону розподілу [1, 5, 8] (рис.2):

, (1)

, (2)

, (3)

де n(R) - щільність імовірності випадкової величини R; w - об'ємний вміст рідкої фази; - середній радіус крапель; - дисперсія розподілу.

Рисунок 1 -- 3D-геометрична модель інерційно-фільтруючого газосепаратора (КОМПАС-3D V6 Plus)

Рисунок 2 -- Розподіл крапель за розмірами

У об'ємі криволінійних сепараційних каналів вловлюються всі краплі з , а також частина крапель з інтервалу . У шарі фільтруючого матеріалу, яким обладнані стінки криволінійних сепараційних каналів у місцях западин гофрованих пластин, від розподілу крапель відтинається додаткова частина, що являє собою високодисперсну складову суміші. Крім того, встановленням жолобів, регульованих за висотою розміщення, та застосуванням подвійних гофрованих пластин досягається поступеневе відведення вловлюваної рідини із шару фільтруючого матеріалу у міру повного насичення його поперечного перерізу через щілеподібні отвори в закриті від газового потоку дренувальні канали, завдяки чому виключається можливість виходу пристрою на режими захлинання та вторинного унесення, а також досягається стабільне стікання вловлюваної рідини у вигляді плівки. На виході з сепаратора залишається незначна частина розподілу краплин з , причому введення мінімального радіуса краплі , що визначається типом фільтруючого елемента, у даний момент є умовним.

Коефіцієнт ефективності жалюзійного інерційно-фільтруючого тумановловлювача :

, (4)

де - коефіцієнти ефективності інерційної та фільтруючої секцій відповідно.

Розглядаючи газодинаміку руху газорідинної суміші на прямолінійних ділянках довжиною L та висотою D прямокутного перерізу криволінійних сепараційних каналів жалюзійного інерційно-фільтруючого тумановловлювача, нехай на вході заданий розподіл крапель по розмірах . Зміст полягає в тому, що величина дорівнює числу крапель, радіус яких укладений в інтервалі (R, R+dR).

Кількість крапель в одиниці об'єму газу та їх об'ємний вміст відповідно:

, (5)

, (6)

де V - об'єм краплі.

. (7)

Розглядаючи осадження крапель у сепараторі під дією гравітаційних сил, враховуємо, що сила тяжіння сферичної краплі, яку можна розглядати як тверду недеформовану сферу [1]:

, (8)

де - густина газу; - швидкість руху краплі відносно газового потоку; f - коефіцієнт, що залежить від числа Рейнольдса Re потоку газу, що обтікає краплю:

(9)

, (10)

де - динамічний коефіцієнт в'язкості газу.

Траєкторія руху краплі в системі координат (x, y) має вигляд [1]

(11)

де - складові швидкості краплі.

,

та .

Розв'язуючи рівняння (11) за таких умов (x=0, dx/dt=u, , dy/dt=0 за t=0), отримується траєкторія руху крапель даного радіуса R, що міститься у вхідному перерізі у точці . Перебираючи всі значення і R та обираючи з усіх траєкторій лише ту, що починається у точці з координатами (0, D) та закінчується у точці (L, 0), можна знайти мінімальний розмір крапель, що осаджуються у сепараторі.

У загальному випадку рівняння (11) слід розв'язувати чисельно. Розглядаючи випадок, коли розв'язок можна отримати у аналітичному вигляді, оцінюється ліва та права частини першого рівняння (11):

, (12)

де - час перебування краплі у сепараторі.

. (13)

Позначаючи безрозмірний параметр у лівій частині рівняння (12):

(14)

оскільки , то , отже, . Таким чином, припущення означає, що інерцією крапель у прямолінійному каналі можна знехтувати. При цьому і друге рівняння (11) матиме вигляд:

. (15)

Оскільки , то відношення інерційної сили до сили опору дорівнює

. (16)

При та маємо . Таким чином, при виконанні нерівностей та у рівняннях (11) інерційними членами можна знехтувати. При цьому з другого рівняння (11) швидкість осадження краплі радіусом R

. (17)

Оскільки f залежить від , то залежність (17) являє собою нелінійне рівняння для визначення :

, (18)

де Ar - критерій Архімеда.

. (19)

Використовуючи співвідношення (9) та рівняння (19), отримано інтерполяційну залежність [1]:

. (20)

Швидкість осадження краплі радіусом R

. (21)

Розглядаючи осадження краплі радіусом R, рівняння руху без урахувння інерції мають такий вигляд:

(22)

звідки

. (23)

Рівняння для визначення мінімального радіуса крапель , що встигають випасти з потоку на довжині L з висоти D, одержується з залежності (23), враховуючи, що , , та користуючись співвідношенням (21):

. (24)

Позначаючи через мінімальний радіус крапель за умови, що вони осаджуються зі стоксовою швидкістю:

, (25)

та вводячи безрозмірний радіус у рівняння (24):

, (26)

.

Переходячи до визначення коефіцієнта ефективності сепарації, припустимо, що на вхід надходить суміш з заданим полідисперсним розподілом крапель за розмірами , середній радіус крапель . Об'ємна та рахункова концентрації крапель відповідно

, (27)

. (28)

За умови рівномірного розподілу крапель по висоті вхідного перерізу інерційно-фільтруючого елемента об'єм рідкої фази на вході .

Нехай - висота у вхідному перерізі, на якому міститься крапля радіусом R. З усіх слід обрати те значення, що забезпечує випадання краплі з потоку на заданій довжині L. Очевидно, що краплі радіусом на виході відсутні, тому на виході є тільки краплі радіусом . Об'єм рідкої фази на виході з прямолінійної ділянки сепараційного каналу :

. (29)

Коефіцієнт ефективності сепарації :

. (30)

Залежність (30) справедлива й у випадку нерівномірного розподілу краплин за висотою вхідного перерізу інерційно-фільтруючого елемента.

З урахуванням логарифмічно-нормального закону розподілення крапель в газовому потоці, що потрапляють на вхід до сепаратора [1]

. (31)

Вводячи такі безрозмірні змінні: ; ; ; ; ; , де Т - час перебування суміші в елементі; - час, за який крапля радіусом випадає із шару висотою D, якщо вона буде рухатися зі стоксовою швидкістю :

. (32)

Наближене значення R_m може бути отримане з рівняння (26):

, (33)

при цьому

. (34)

Таким чином, вираз (32) - це залежність коефіцієнта ефективності сепарації інерційно-фільтруючого елемента від параметрів , , та , що характеризують дисперсність потоку, геометричні розміри сепараційного елемента, а також гідродинамічні й фізичні параметри потоку.

Розглядаючи рух газорідинного потоку на криволінійних ділянках інерційно-фільтруючого елемента, моделюючи їх циліндром радіусом R та довжиною L та припускаючи, що швидкість газу має дві складові: тангенціальну й радіальну (осьова складова швидкості мала порівняно з та , і її впливом на процес осадження краплі на стінці жалюзі можна знехтувати). При русі відносно газу краплі зазнають опору відповідно до закону Стокса. Зроблені припущення дозволяють подати рівняння руху краплі у такому вигляді [1]:

(35)

де та - відповідно поздовжня, радіальна й тангенціальна складові швидкості краплі.

Траєкторії руху краплі на криволінійній ділянці сепараційного каналу інерційно-фільтруючого елемента визначають з рівняння руху:

, ,

, ,

. (36)

Коефіцієнт ефективності сепарації на розглядуваній ділянці :

,

де - об'ємний вміст крапель на виході з криволінійної ділянки сепараційного каналу; - розподіл крапель за радіусами.

. (37)

Розглядаючи рух газорідинної суміші через фільтруючий елемент, враховується аналогія осадження крапель на волокнах при осадженні крапель однакового розміру на струнах (циліндрах) діаметром , що розміщені на відстані l. Механізм осадження крапель залежить від режиму течії (ламінарний чи турбулентний), а також від співвідношення радіуса краплі а до радіуса циліндра . При обтіканні циліндра потоком траєкторії руху краплі відхиляються від лінії току завдяки інерції та осаджуються на поверхні циліндра. Відхилення тим більше, чим більше розмір крапель. Для порівняно великих крапель їх траєкторії близькі до прямих ліній. Коефіцієнт ефективності одного циліндра при захопленні великих крапель :

, (38)

де l - відстань, на якій розміщені прилеглі циліндри.

З іншого боку, дуже маленькі краплі, інерція яких мала, рухаються за лініями струму газового потоку. У цьому випадку коефіцієнт ефективності захоплення таких крапель із урахуванням їх зачеплення:

. (39)

При розгляді осадження крапель однакового радіуса з потоку газу при поперечному обтіканні циліндра та припущенні, що краплі досить малі, так, що для визначення сили опору можна скористатися формулою Стокса, траєкторії руху краплі визначаються рівнянням [1]:

, (40)

де - радіус-вектор краплі.

Розписуючи ці рівняння в проекціях, одержимо:

(41)

Із введенням безрозмірних параметрів x=r/R; =tu/R; ; ; рівняння (41) набудуть такого вигляду:

(42)

У праву частину системи рівнянь входить число Стокса St. Відомо [1], що не при всіх значеннях St частки можуть досягати поверхні циліндра. Існує таке критичне значення St, за якого осадження на циліндрі можливо тільки при . Для поля швидкостей, що відповідає потенційному обтіканню циліндра, наближений розв'язок рівняння дає . У дійсності при більших значеннях числа Рейнольдса на циліндрі є прикордонний шар, товщина якого та не є постійною, а збільшується від точки застою вниз по потоку. Наявність прикордонного шару призводить до більш сильного порівняно з його відсутністю скривлення ліній струму поблизу поверхні циліндра. Як наслідок, траєкторії частинок трохи відсунуться від поверхні циліндра. Це означає, що зменшиться кількість частинок, що осаджуються на поверхні циліндра за одиницю часу. Зміну поля швидкостей з урахуванням прикордонного шару можна визначити, якщо скористатися відомим розв'язком рівняння Блазіуса [1]. Інтегруючи рівняння (42) при заданому початковому положенні краплі в набігаючому потоці, вдалині від циліндра, можна знайти траєкторію її руху. Залежно від початкового положення всі траєкторії можуть бути розбиті на два класи: ті, що закінчуються на циліндрі, й ті, що огинають циліндр. Траєкторія, що ділить ці два класи, називається критичною. Вона відстоїть від осі на відстані b у набігаючому потоці, віддаленому від циліндра. Потік крапель на поверхні циліндра пропорційний b. Залежність перерізу захоплення циліндра b/R від St при можна апроксимувати таким виразом [1]:

, (43)

де А - постійна (для приблизного розв'язку рівняння (42) при потенційному обтіканні циліндра А=0,35, для чисельного розв'язку А=0,44, з урахуванням прикордонного шару А=0,66).

Слід зазначити, що збільшення швидкості потоку може призвести до вторинного унесення крапель, пов'язаного зі зривом їх з поверхні волокон. Таким чином, волокнистий фільтруючий елемент характеризується двома критичними швидкостями: перша обмежує розмір захоплюваних волокнами крапель та обумовлюється значенням , друга відповідає початку вторинного унесення краплин за рахунок втрати стійкості плівки рідини, що стікає по волокнах. Слід дослідити умови, за яких починається зрив крапель. За поперечного обтікання вертикальної циліндричної струни потоком газу із завислими в ньому краплями останні осаджуються на волокні з утворенням тонкого шару рідини, що стікає вниз плівки. Товщина шару збільшується у напрямку сили ваги. Набігаючим потоком плівка рідини затягується до кормової частини струни. На деякій відстані від верхньої підставки струни товщина плівки досягає для заданої швидкості газу критичного значення, за якого її стійкість порушується. У результаті плівка зривається, і спостерігається вторинне унесення крапель.

Направляючи вісь x від верхньої підставки струни вниз у напрямку сили ваги, швидкість стікання рідини по поверхні струни можна оцінити, дорівнюючи силу ваги силі грузлого тертя:

, (44)

де h - товщина плівки стікаючої рідини.

Для визначення зміни h по висоті записують умову збереження витрати рідкої фази: витрата рідини через поперечний переріз стікаючої плівки дорівнює кількості рідини, що осаджується з потоку газу на поверхні до розглядуваного перерізу:

, (45)

де w - об'ємний вміст рідини у набігаючому потоці.

. (46)

Для визначення критичної товщини плівки, при якій можливий зрив плівки, потрібно розглянути сили, що діють на неї при поперечному обтіканні струни потоком газу. З боку газу на плівку діє динамічний напір, під дією якого плівка накопичується в кормовій частині струни. Сили грузлого тертя й поверхневого натягу перешкоджають зриву плівки. Зрив можливий, коли виконується нерівність

. (47)

Критична товщина плівки :

. (48)

Відстань від верхньої підстави струни, на якій можливий зрив плівки набігаючим потоком:

. (49)

Таким чином, для того щоб при обтіканні волокна потоком газу було відсутнє вторинне унесення при заданих значеннях параметрів, що входять до правої частини рівняння (49), висота струни повинна бути менше .

Зі збільшенням швидкості потоку критична висота струни зменшується. Тому одного ряду струн недостатньо для ефективного видалення крапель з потоку. Збільшення кількості рядів струн призводить до того, що при швидкостях, більших від критичної, наступні ряди вловлюють з потоку краплі, які не затрималися на попередніх рядах. Оскільки кожен ряд струн вловлює з потоку частину рідини, що призводить до зменшення w й відповідного збільшення для кожного наступного ряду струн, то варто очікувати збільшення критичної швидкості газу в фільтруючому елементі зі збільшенням кількості рядів струн.

Внутрішня структура волокнистого полотна характеризується хаотичним розміщенням пор по товщині фільтруючого елемента. Структуру волокнистого полотна можна характеризувати часткою вільного об'єму , товщиною фільтруючого елемента H, середнім розміром пор l та діаметром волокон .

Моделюючи шар волокнистого матеріалу N плоскими паралельними шарами сітки, відстань між якими h, питомий вільний об'єм , виражений через геометричні параметри сітки:

, (50)

можливо знайти питому поверхню a, а також h та N:

,,. (51)

Волокнисті насадки, так, як і струнні, характеризуються критичною швидкістю або витратою, при якій починається вторинне унесення крапель з насадки. Механізм віднесення краплі при перевищенні швидкості критичного значення залежить від орієнтації насадки відносно сили ваги. При осадженні крапель на волокнах насадки рідина стікає вниз. Однак можливість поперечної течії по горизонтальних складових приводить до того, що потік рідини, що стікає вниз, немовби подвоюється. Це приводить до збільшення товщини плівки, що стікає по вертикальних волокнах, порівняно зі струнами й до відповідного зменшення критичної швидкості. Картина зриву плівки у волокнистому матеріалі така сама, як і у струнної, але з удвічі більшим значенням об'ємного вмісту рідини в газовому потоці. Тому для визначення критичної швидкості можна користуватися наведеними вище залежностями.

Для оцінки критичної швидкості, при якій починається вторинне унесення крапель з насадки, слід брати таку модель. Сітчаста насадка являє собою пористе середовище. Газ у насадці рухається по мікроканалах, ефективний гідравлічний діаметр яких

. (52)

Швидкість газу в мікроканалах дорівнює витраті газу, поділеній на сумарну площу перерізу каналів:

, (53)

де S - робоча площа насадки; - коефіцієнт, що враховує кривизну каналів.

. (54)

Краплі, що зриваються з поверхні насадки, рухаються разом з газом по мікроканалах. У процесі руху вони дробляться. Оскільки - маленька величина, то розмір крапель малий і можна вважати, що вони осаджуються зі стоксовою швидкістю. Якщо швидкість висхідного газового потоку у фільтрувальному полотні перевищує швидкість осадження краплі в мікроканалах, то краплі, що зриваються з поверхні волокон, будуть уноситися з насадки. Зрівнюючи обидві швидкості, критична швидкість газу перед насадкою :

. (55)

Обладнання сепаратора додатковою фільтруючою секцією підвищує його коефіцієнт ефективності (рис.2). При цьому слід враховувати, що в області малих витрат газу коефіцієнт ефективності інерційної (осаджувальної) секції близький до одиниці, а фільтруючий елемент підвищує його не суттєво.

3D-геометрична модель захищеної патентом України [6-7] конструкції інерційно-фільтруючого газосепаратора створена за допомогою САПР КОМПАС-3D V6 Plus (рис.1), після чого за допомогою програмного продукту COSMOSFlowWorks 2004 CAD-системи SolidWorks 2004 (рис.3 а), а також програмного комплексу FlowVision 2003 (рис.3 б) проведено комплексні спроби моделювання пливу потоку природного газу в створеній геометричній конфігурації розрахункової області сепараційного каналу.

Рисунок 3 -- Комп'ютерне моделювання течії потоку природного газу в створеній геометричній конфігурації розрахункової області сепараційного каналу за допомогою програмних продуктів: а) - COSMOSFlowWorks 2004, б) - FlowVision 2003

Промислове впровадження запропонованої конструкції високоефективного інерційно-фільтруючого сепараційного устаткування проведено на ВАТ "УКРНАФТА", Качанівському газопереробному заводі у технологічній схемі ІV ступеня стискання дотискувальної компресорної станції.

Результати теоретичних досліджень, віртуальних моделювань та промислових випробувань становлять високу науково-практичну цінність у плані підвищення ефективності сепараційного устаткування компресорних установок нафтогазової промисловості.

SUMMARY

The way of increase of efficiency of the separate equipment of pneumatic plants of the oil-and-gas industry is offered. Mathematical modeling gas dynamics of movement gas a fluid stream on inertial and filtering sections of a knock-out box of the offered design protected by the patent of Ukraine, with attempts of computer modeling current of a stream of natural gas in a generated geometrical configuration of rated area of the separate channel is carried out.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРи

1. Синайский Э.Г. Разделение двухфазных многокомпонентных смесей в нефтегазопромысловом оборудовании. -- М.: Недра, 1990.-- 272 с., ил.

2. Калашников О.М. Особливості газодинаміки та ефективність прямоточних краплевловлювачів компресорних станцій: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.05.15. -- Суми, 2003.

3. Чепкасов В.М. Методика расчета и промышленного внедрения прямоточных вихревых сепараторов применительно к подготовке нефтяного попутного газа: Автореф. дисс... канд. техн. наук: 05.17.08. -- Казань, 1989.

4. Ляпощенко О.О., Склабінський В.І. Високоефективне інерційно-фільтруюче газосепараційне обладнання у нафтогазовій промисловості // Проблеми економії енергії: Збірник матеріалів IV Міжнародної науково-практичної конференції. -- Львів, 2003. -- C. 106-107.

5. Склабінський В.І., Ляпощенко О.О. Підвищення ступеня утилізації побіжного нафтового та природного газу шляхом застосування високоефективного газосепараційного устаткування // Вісник Сумського державного університету. -- 2004. -- №2(61). -- C. 65-69.

6. Деклараційний патент на винахід України № 60782, МПК 7 B01D45/04. Спосіб вловлювання високодисперсної краплинної рідини з газорідинного потоку і пристрій для його здійснення / В.І.Склабінський, О.О.Ляпощенко. -- Бюл. № 10, 15.10.2003.

7. Патент України. Заявка №20031110451 від 20.11.2003, МПК 7 B01D45/04. Спосіб вловлювання високодисперсної краплинної рідини з газорідинного потоку і пристрій для його здійснення / В.І.Склабінський, О.О.Ляпощенко.

8. Склабинский В.И., Стороженко В.Я., Смирнов В.А., Ляпощенко А.А. Анализ технологической схемы и работы оборудования установки осушки природного газа и узла сепарации // Экотехнологии и ресурсосбережение. -- 2003. -- №6. -- C. 70-75.