Сверхзвуковая сепарация

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Сверхзвуковая сепарация

Измиков К.И. ИНиГ 5-1

На газоконденсатных месторождениях РФ для подготовки газа к дальнему транспорту применяется метод низкотемпературной сепарации (НТС). Метод состоит в охлаждении потока пластового флюида за счет дросселирования избыточного давления и механического разделения образовавшихся жидкой и газовой фаз.

Дросселяция газа основана на применении эффекта Джоуля-Томпсона. Эффектом Джоуля-Томсона называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании -- медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку).

Рисунок 1 - Клапан КРД-5

В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. После дросселирования смесь газа и выпавшей жидкости входит в низкотемпературный сепаратор. Здесь в результате сепарации выделяются сухой газ высокого давления, нестабильный газовый конденсат и водометанольная смесь. На рисунке 1 изображен клапан КРД-5 используемый для НТС.

Рабочая среда поступает в напорную часть корпуса и проходит через профилированное отверстие дискового седла, открываемое при повороте золотника, который поворачивается вокруг своей оси с помощью шпинделя, проходящего через графлексовое уплотнение, соединяемого с приводом.

Первым серьезным недостатком НТС является то, что для предотвращения гидратообразования при снижении температуры газового потока необходимо использовать опасные химические реагенты (метанол, смесь этанола и гликоля).

По мере разработки месторождения, при его истощении, следовало бы для поддержания заданного уровня добычи жидких углеводородов из все облегчающегося состава исходной смеси снижать температуру сепарации. На практике же из-за непрерывного снижения свободного перепада давления температура сепарации постоянно растет. Вышесказанное является вторым существенным недостатком системы НТС [3].

Третьим недостатком данной схемы является ее большие габаритные размеры и значительная масса, что крайне нежелательно при добыче газа на море (проектная стоимость одного койко-места на платформе составляет 4 миллиона долларов) [8].

Наличие подвижных частей в клапане НТС и их движение относительно друг друга при частых регулировках уровня открытия клапана вызывают необходимость трудоемкого и высококвалифицированного технического обслуживания. Данный факт указывает на невозможность использования НТС в подводных системах подготовки газа, где доступ персонала к оборудованию затруднен, а в случае больших глубин невозможен. Использование водолазов и подводных роботов связано с рисками и значительными затратами.

Менее распространенным в РФ является способ осушки газа при помощи турбодетандеров (рисунок 2).

Рисунок 2 - Турбодетандер (слева) и его рабочая камера (справа)

Турбодетандеры -- лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа. За счет двухступенчатого преобразования энергии газа турбодетандер более эффективен по сравнению с клапаном КРД, однако имеет схожие с ним недостатки.

Учитывая изложенное ранее была разработана технология подготовки газа на основе 3S сепарации. 3S сепарация (от англ. super sonic separation) - новейшая технология, предназначенная для извлечения целевых компонентов из природных газов. Технология базируется на охлаждении природного газа в сверхзвуковом закрученном потоке газа.

Сверхзвуковой поток реализуется с помощью конфузорно-диффузорного сопла Лаваля. В таком сопле газ разгоняется до скоростей превышающих скорость распространения звука в газе. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию происходит сильное охлаждение газа. Выделившаяся в результате охлаждения жидкость центробежными силами с ускорением достигающим 106 м/с2 [5] отбрасывается к стенкам выходного раструба, а газ выходит через диффузор. В диффузоре кинетическая энергия, приобретенная потоком, переходит в давление (давление на выходе составляет 70-80 % от входного давления) [6].

На рисунке 3 представлена конструкция 3S сепаратора, на рисунке 4 схема движения газожидкостной смеси в 3S сепараторе.

1 - завихряющее устройство; 2 - сопло Лаваля; 3 - рабочая секция; 4 -двухфазный сепаратор газ-жидкость; 5 - диффузор; 6 - направляющий аппарат

Рисунок 3 - Принципиальная схема 3S-сепаратора

Рисунок 4 - Схема движения газожидкостной смеси в 3S сепараторе

По сравнению с традиционными схемами подготовки газа использование 3S-сепараторов имеет следующие преимущества:

- Позволяет отказаться от использования химикатов для борьбы с гидратообразованием (время пребывания газожидкостной смеси внутри сепаратора составляет тысячные доли секунды, за столь малый промежуток времени гидраты не успевают сформироваться)

- Малая занимаемая площадь и масса установки, высокая транспортабельность и монтажеспособность (сепаратор спроектированный на рабочее давление в 100 бар имеет длину 2 м);

- Упрощение конструкции установки;

- Продление периода бескомпрессорной эксплуатации месторождения;

- Снижение затрат мощности компрессорных станций без снижения производительности (достигает 50-70%) [5];

- Углубленное извлечение пропан-бутанов и этана;

- Предотвращение уноса конденсата из сепараторов НТС за счет увеличения степени извлечения фракций C5+ (30 % рост извлечения при одинаковых энергозатратах) [5];

- Эффективное извлечение CO2 и H2S из кислых природных газов [2];

- В 3S-сепараторе отсутствуют движущие части и, как следствие, нет необходимости в трудоемком и высококвалифицированном текущем обслуживании аппарата;

- Можно использовать на платформах и в подводных системах подготовки газа.

На рисунке 4 изображен сравнительный график эффективности для клапана НТС, турбодетандера и 3S сепаратора. Общий вид 3S сепаратора представлен на рисунке 5.

сверхзвуковой сепарация газ клапан

Рисунок 4 - Сравнительный график эффективности

Первая экспериментальная установка была построена в Канаде. Первая в мире промышленная установка 3-s сепарации была введена в строй в 2005 году в Западной Сибири.

Рисунок 5 - 3S сепаратор

Летом 2007 г. был завершен проект модернизации УКПГ-1 Губкинского месторождения ОАО НК «Роснефть-Пурнефтегаз» на основе 3S-технологии, при этом производительность по газу и конденсату выросла на 50%. Срок окупаемости капитальных вложений на модернизацию составил 6 месяцев [6]. За рубежом данная технология активно используется компанией Shell.

Список литературы

1 Бордачев С.Г., Имаев С.З.Технологические схемы УКПГ на основе 3S - технологии для северных месторождений - Московский физико-технический институт

2 Войтенков Е.В. Применение 3-S технологии для сепарации кислых компонент из природного газа - Институт проблем нефти и газа РАН

3 Полстянов Д.Е. Низкотемпературная сепарация. Пути развития - Материалы XII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо Кавказскому региону».Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. 298 с.

Размещено на Allbest.ru