Оптимизация промышленных технологий подготовки и переработки природного и попутного газа путем внедрения инновационных решений
Мероприятие: Китоджик 27/06/2007
Докладчик: Юнусов Артур Русланович, руководитель проекта ООО «УК «РусГазИнжиниринг»
Оптимизация промышленных технологий подготовки и переработки природного и попутного газа путем внедрения инновационных решений.
Авторы: Валиуллин И.М. к.т.н. доктор PhD (экономика) , Зиберт Г.К. к.т.н., Запорожец Е.П. д.т.н., Зиберт А.Г., Юнусов А.Р. ООО «Управляющая компания «РусГазИнжиниринг», г. Подольск, Московская область, Россия.
Аннотация: В докладе рассматриваются направления работы ООО «Управляющей компании «РусГазИнжиниринг», в части научно-технических разработок совершенствования технологических процессов, оборудования, а также внутренних устройств газоподготовки и газопереработки.
Немного о компании. Основу деятельности «УК «РусГазИнжиниринг» составляет технологический инжиниринг, то есть оказание спектра услуг по разработке технологии, разработке и поставке соответствующего оборудования, организации производства, обустройство объектов «под ключ», включая услуги по обучению эксплуатационного персонала, опытно-промышленную эксплуатацию, постгарантийному обслуживанию.
Компания работает на рынке инжиниринговых услуг 4 года. За этот короткий период реализовано более 20 проектов обустройства объектов ведущих нефтегазовых компаний страны.
С целью разработки и внедрения современных перспективных технологий, компания активно сотрудничает с ведущими мировыми технологическими компаниями. Так подписан ряд соглашений о сотрудничестве с ведущими, как Российскими, так и мировыми лидерами отрасли, в частности: Aker Kvaerner Process Systems Canada Inc . (Канада), Toromont Energy Systems (Канада), Maloney Industries (Канада), Engelhard Process Chemicals Gmbh (Германия).
В компании создано специальное структурное подразделение для научно-технических изысканий и исследований технологий подготовки и переработки углеводородных продуктов - дирекция научно-технического развития (ДНТР). Основными задачами дирекции являются поиск, разработка, подготовка к внедрению оптимальных и перспективных технологических процессов.
Основными направлениями, над которыми работает в настоящее время дирекция НТР:
• совершенствования внутренних устройств сепараторов:
• - первичных с прямоточными центробежными элементами (ПЦЭ);
• - низкотемпературных.
• газодинамическая сепарация.
Прямоточно - центробежные элементы, один из которых представлен на рис.1, были разработаны более 20 лет назад. Конструкция до сегодняшнего дня не претерпела принципиальных изменений, и широко используется в аппаратах промысловой подготовки газа на УКПГ.
Однако современные повышенные требования к качеству подготавливаемого газа на промыслах, заставило искать новые технические решения по их модернизации. Для чего проводились исследования по выявлению технических и технологических недостатков, а именно:
• наличие продольного сварного шва на цилиндрическом патрубке и овальность последнего, приводит к снижению эффективности сепарации, по причине преждевременного срыва отсепарированной жидкости со стенок патрубка и ее дроблению в потоке;
• диспергирование жидкости на вытеснителе и трубке рециркуляции потоком газа, из-за чего наблюдается ее повышенный унос;
• вторичный унос отсепарированной жидкости при ее отводе из каплесъемника пересекающимся потоком газа;
• высокое гидравлическое сопротивление элемента за счет неоптимального количества циркулируемого газа по трубке рециркуляции большого диаметра и его движению навстречу основному потоку из эжекционного отверстия.
Для устранения этих недостатков в центробежном элементе:
• цилиндрический патрубок выполняется из бесшовной трубы или вальцуется из листа с последующей сваркой по спирали, закрученной по движению потока, которая не препятствует движению жидкости по стенке к каплесъемнику, и не вызывает вторичного уноса;
• кромка вытеснителя выполнена в виде зубьев, ориентированных в сторону закрутки газового потока, что способствует коагуляции частиц жидкости и повышению эффективности разделения газожидкостного потока в центробежном поле;
• каплесъемник дополнительно снабжен кольцом, которое разделяет жидкость и газ при их отводе из каплесъемника с противоположных сторон патрубка;
С целью дальнейшего снижения гидравлического сопротивления и расширения функциональных возможностей ПЦЭ, а именно, для разделения газожидкостных потоков с повышенным содержанием жидкости более 200 г/нм3 выполнена его вторая модернизация без существенного изменения конструкции (рис.2).
В этом варианте на входе в цилиндрический патрубок установлена диафрагма и выполнены отверстия в патрубке до и после нее. Это техническое решение позволило снизить содержание жидкости в очищенном газе до 5 - 10 мг на нм3 (против существующего 15 - 25 мг на нм3 для ГПР353).
На новые технические решения поданы заявки на изобретения.
На новые прямоточно-центробежные элементы разработаны методика технологического расчёта, ТУ и типовые рабочие чертежи, согласованные с заводом — изготовителем.
Разработки применены в сепараторах проекта обустройства Стерхового газового месторождения и ряде других объектов.
Таким образом, создан многофункциональный способ отделения жидкости от газа в центробежном поле, который включает в себя процесс коалесценции (укрупнение) капель жидкости, сепарацию газа от жидкости и вторичную сепарацию жидкости от газа в каплесъемнике. Предложенная нами конструкция осуществляет данный многофункциональный способ.
Повышение эффективности сепарационной техники путем совершенствования ПЦЭ практически достигло своего предела, это обусловлено тем, что:
• процесс разделения газожидкостной смеси происходит в неравновесных условиях (например, малое время пребывания газожидкостной смеси в элементе порядка 0,05 секунды; разное статическое давление в центре и на периферии потока; разные тангенциальные скорости по поперечному сечению потока; неравномерное распределение фаз по сечению элемента);
• процесс разделения в центробежном поле тем эффективнее, чем больше центробежная сила, величина которой тем больше, чем выше тангенциальные скорости потока, однако, чем выше эти скорости, тем больше вторичный унос жидкости и выше гидравлическое сопротивление аппарата.
Поэтому для повышения эффективности низкотемпературной сепарационной техники необходимо процесс сепарации проводить:
• в равновесных условиях;
• на устройствах с малым гидравлическим сопротивлением;
• при скоростях движения потока, которые обеспечивают минимальный вторичный унос.
Эти требования выполняются в новых сепарационных элементах насадочного типа. Для примера представляется насадка структурированного типа с живым сечением ~ 92%, (рис.3) т.е. при малых скоростях с увеличенным временем пребывания. Сепарация жидкости от газа производится в структурированных системах, которые имеют макро и микро поры. Эффективность сепарации тем выше, чем больше поверхность регулярной насадки. Удельная поверхность разработанных насадок достигает порядка 200 м на м, в перспективных насадках она достигает 600.
Испытания таких сепараторов проводились на месторождении Заполярное ООО «Ямбурггаздобыча» в вертикальном исполнении и на ООО «Уренгойгазпром» в горизонтальном.
Указанные технические решения позволили сократить потери углеводородов С3+ с 74,3 до 47,7 мг/ м и С5+ с 9,4 до 2,5 мг/ м.
Также достигнута высокая эффективность сепарации на промышленных аппаратах насадочного типа составляет порядка 8 мг на м3 газа при факторе скорости 4, а при факторе скорости менее 2 содержание жидкости в капельном виде практически равно нулю.
Данные технические решения также применены в сепараторах проекта обустройства Стерхового газового месторождения.
Таким образом, можно сказать создан способ сепарации с одновременным массообменном, приводящий систему газ-жидкость в равновесие, при котором достигается максимальная эффективность сепарации.
Газодинамическая сепарация
Особенности совместной работы продуктивных газоконденсатных пластов и установок комплексной подготовки газа (УКПГ) предъявляют ряд требований к технологическим схемам и оборудованию. Одним из таких требований является гибкость и приспособляемость установок низкотемпературной сепарации (НТС) к изменениям параметров сырья. Чем проще технология и чем меньше оборудования в ней используется, тем легче переналадка, связанная с изменениями давления, производительности и состава сырья.
Одним из вариантов решения этой проблемы является использование низкотемпературной газодинамической сепарации (НГС). Низкотемпературная газодинамическая сепарация привлекала внимание многих зарубежных специалистов и отечественных инженеров из МВТУ им. Баумана; АН СССР - «труба Леонтьева»; «ВНИИГАЗ», «ЦКБН» ОАО «ГАЗПРОМ»; института «НИПИгазпереработка».
Зарубежные и отечественные газодинамические сепараторы подобны. Её принцип действия сводится к следующему. Исходный поток многокомпонентного углеводородного газа закручивают. После чего его продольно разгоняют до скоростей с числами Маха порядка 0,9 - 1,0. При этом внутренняя энергия газа адиабатически переходит в кинетическую, статические давление и температура в потоке снижаются. Последний фактор способствуют конденсации углеводородных компонентов С3+в и паров воды. Полученная жидкая фаза в закрученном потоке концентрируется на его периферии и осаждается на стенках сепарационной камеры. Откуда она удаляется в зону с пониженным давлением — емкость. Пониженное давление создается эжектированием из неё газовой фазы расширяющимся исходным потоком. Очищенный газовый поток затормаживают с восстановлением давления. Описанный процесс подобен процессу низкотемпературной сепарации с использованием детандерно — компрессорного агрегата, аппаратурное оформление низкотемпературной газодинамической сепарации намного проще.
Однако подобная схема НГС имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является недостаточно качественная осушка газа от углеводородных компонентов и воды из - за недостаточно низких температур (порядка минус 50 °С) потока, имеющего околозвуковую или звуковую скорости. Для обеспечения эффективной работы газодинамического сепаратора необходимо усиливать охлаждение газа, что на околозвуковых скоростях недостижимо. При истечении газа со сверхзвуковыми скоростями достигается статическая температура в потоке порядка минус 100 °-120 °С. Более глубокий холод интенсифицирует конденсация компонентов из газа. Однако при сверхзвуковых скоростях отделение сконденсировавшихся компонентов от охлажденного потока газа неэффективно. Высокая турбулентность, порожденная большими скоростями истечения газа, срывает осевшие жидкие частицы с твердой поверхности и уносит их из газодинамического сепаратора. Поэтому необходимо очень быстро удалять осевшие жидкие частицы с твердой поверхности в зону с пониженным давлением. Перемещение осевших частиц обуславливается действием разности давлений в потоке газа и в зоне пониженного давления (емкости). Скорость движения осевших частиц тем выше, чем больше эта разность давлений. Величина последней зависит от количества газовой фазы, эжектируемой из емкости. Однако вместе с жидкостью в зону пониженного давления поступает из основного потока и газ, которого тем больше, чем глубже разрежение в емкости. Циркуляционное движение газа приводит к потерям энергии — давления очищаемого газа. Потери энергии тем больше, чем глубже создаваемое разряжение в зоне. Но потери энергии влекут за собой уменьшение скорости охлаждаемого газа и, как следствие, повышение его температуры и снижение интенсивности конденсации компонентов. Таким образом, описанное техническое противоречие, является одной из основных проблем в совершенствовании низкотемпературной газодинамической сепарации. Имеются и другие проблемы связанные с процессами:
• конденсации в сверхзвуковых потоках;
• сепарации из сверхзвуковых потоков сконденсировавшейся жидкости за очень короткие промежутки времени (порядка 0,0075 - 0,01 с);
• испарения сконденсированной жидкости при повышении её температуры, вследствие торможения потока на твердых стенках и в емкости.
С целью повышения эффективности в компании «УК «РусГазИнжиниринг» разработан способ газодинамической сепарации (патент Р.Ф. № 2291736), который осуществляется в устройстве, представленном на рис.4.
По этому способу в газ дополнительно вводятся конденсируемые компоненты в жидкой или (и) паровой фазах (их ввод может осуществляться в исходный или расширившейся газ). В связи с тем, что вводимая жидкая фаза имеет большую теплоемкость, и нахолаживаясь в динамическом потоке она сохраняет низкую температуру дольше, чем газ, и несет в себе функции хладагента, которым возможно интенсифицировать конденсацию компонентов в расширяющемся газе и осуществлять технологические операции, например, охлаждать исходный газ (рис.5)
В расширенном, охлажденном и вращающимся потоке создается приосевая область, состоящая преимущественно из газовой фазы, и периферийная область - из газожидкостной смеси сконденсированных и несконденсированных компонентов. При этом поток газожидкостной смеси имеет аксиальную и угловую скорости перемещения одинаковые с приосевым потоком. Весь поток газожидкостной смеси отводится в зону пониженного давления практически без его торможения. Это достигается применением путем интегрального отвода через вихревую камеру (рис.6) или дифференциального обора по потоку через стенки сепарационной камеры, выполняемой из металлокерамического фильтрационного материала (рис.7), либо комбинированным методом. Этим сохраняется статическая температура и уменьшается испарение сконденсировавшейся жидкости.
Газожидкостная смесь окончательно разделяется в зоне пониженного давления, где возможно применение фильтрующего материала (рис.7), т.е. в принципе производится качественная очистка газовой фазы от жидкости.
В связи с тем, что в газожидкостной смеси масса жидкости превышает массу газа и она является хладагентом её интенсивного испарения при разделении не происходит.
Газовая фаза из зоны пониженного давления эжектируется очищенным газом из приосевой области (рис.4 - 7). Эжектирование газовой фазы из зоны пониженного давления очищенным газом позволяет эффективно создавать разрежение в зоне пониженного давления без потерь энергии (давления) исходного газа, расходуемой на его расширение и конденсацию жидкости. Этим техническим приемом повышается глубина охлаждения расширяющегося газа и интенсифицируется процесс конденсации, т.е. в конечном итоге повышается эффективность газодинамической сепарации.
Очищенный газ и конденсат отводятся раздельно. При этом исходный газ может предварительно охлаждаться жидкостью, удаляемой из зоны пониженного давления, и (или) очищенным газом (рис.7)
Газодинамическая сепарация по описанному методу может производится однократно или многократно (рис.8). При выполнении многократной газодинамической сепарации конденсируемые компоненты, вводимые в исходный газ, могут подаваться из последующей ступени в предыдущую ступень (рис.8) или из предыдущей ступени сепарации в последующую ступень (рис.9). При производстве многократной газодинамической сепарации исходный газ предыдущей ступени может охлаждаться очищенным газом последующей ступени (рис.8, 9).
Расчетные технологические параметры газодинамической сепарации по патенту РФ № 2291736 приводятся в следующей таблице 1.
Таблица 1
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СЕПАРАЦИИ
|
Отношение давления исходного газа к давлению очищенного газа в пусковом режиме |
1,4 + 1,7 |
|
Отношение давления исходного газа к давлению очищенного газа в режиме оптимальной работы |
1,25 - 1,35 |
|
Температура исходного газа |
плюс 30 °С |
|
Фазовое состояние компонентов углеводородов и воды в исходном газе |
парообразное |
|
Число Маха в расширенном потоке очищаемого газа |
1,1 +- 2,0 |
|
Статическая температура в очищаемом потоке газа |
минус 70 - 120 °С |
|
Удельный расход энергии давления на снижение температуры |
0,65 - 0,30 ата / град |
|
Эффективность сепарации сконденсировавшейся капельной жидкости: |
|
|
- при однократной сепарации |
90 – 95 % |
|
- при многократной |
99,9 % |
|
Точка росы осушенного газа: |
|
|
- при однократной сепарации |
минус 35 ° - 50 ° С |
|
- при многократной сепарации |
минус 55 ° - 70 ° С |
По экспертным оценкам применение газодинамической сепарации по сравнению например с усовершенствованной установкой НТС позволяет снизить капитальные и энергетические затраты установок разделения газов не менее чем на 30 %.
Предлагаемые нами решения ставят перед собой цель обеспечить качественную подготовку природного и попутного газа. Однако в каждом конкретном случае эффективность таких решений зависит от множества факторов и условий, характерных для конкретного объекта подготовки газа.
Успешная деятельность компании в нефтегазовой отрасли обусловлена высоким научно-исследовательским потенциалом, наличием в своем распоряжении хорошей материально-технической базы для проведения исследований и разработок, и как следствие вышеперечисленного имеем необходимые патенты и лицензии.
Необходимо отметить то, что компания «УК «РусГазИнжиниринг» сокращает цикл «исследование – производство», а именно показанные разработки находятся на стадии внедрения в промышленную практику.
Подводя итог, компания представляет собой эффективную форму органического соединения науки с производством, реализующую разработку и внедрение в промышленную эксплуатацию с оптимальными затратами и в короткий срок инновационные решения.
