XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Повышение эффективности системы подготовки газа модернизацией сепарационного оборудования
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В данной научно-исследовательской работе представлена, повышение эффективности системы подготовки газа модернизацией сепарационного оборудования установки предварительной подготовки газа на текущий период разработки.
Актуальность темы. В настоящее время на большинстве газовых и газоконденсатных месторождений России происходит заметное снижение пластового давления природного газа, что ведет к увеличению его начального влагосодержания, возрастанию скоростей газа в технологических аппаратах, повышению его температуры (вследствие использования газоперекачивающих агрегатов), загрязнению гликоля компрессорным маслом, солями, механическими примесями, что в целом снижает качество подготовки газа.
В связи с этим ужесточились требования к эффективности и надежности проектируемого и реконструируемого технологического оборудования. Это потребовало, в частности, глубокой проработки технических решений, направленных на создание высокоэффективного сепарационного оборудования.
Применение новейших решений в области разработок сепарационного оборудования и моделирования газодинамических процессов в сепарационных элементах является гарантией высокой эффективности процесса подготовки углеводородной продукции.
Цель исследования: повышение эффективности системы подготовки газамодернизацией сепарационного оборудования, в том числе, путем замены внутренних элементов аппаратов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
– произвести анализ эффективности промысловых систем подготовки газа на газовом промысле на текущем этапе разработки;
– Рассмотреть оборудование, которое использовалось до момента модернизации
– Рассмотреть совершенствования сепарационного оборудования
– Результаты после модернизации оборудования
Информационной базой для исследования стали отечественный и зарубежный опыт применения инновационных решений в области разработок сепарационного оборудования; разработки по модернизации сепарационного оборудования установок подготовки газа предлагаемые ООО «Газкомплектремонт», ООО «Зульцер Хемтех», ООО «ИВЦ Инжехим».
1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1 Анализ эффективности промысловых систем подготовки газа на газовом промысле
На месторождениях построена установка предварительной подготовки газа (УППГ),где происходит сбор и сепарация газа, добываемого на месторождении. После сепарации на УППГ газ по межпромысловому коллектору диаметром 1020 мм и длиной 55 км подается для окончательной подготовки. В качестве ингибитора гидратообразования при сборе и межпромысловом транспорте газа используется метанол. УППГ состоит из узла входа шлейфов, цеха сепарационного оборудования и узла замера газа. Принципиальная схема УППГ представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема установки предварительной подготовки газа.
Система подготовки газа на месторождениях выполнена в виде стандартной установки абсорбционной осушки газа. Газ с кустов скважин по двум коллекторам (Северному и Южному) поступает в цех входных сепараторов (ЦВС), где в двух ступенях (сепарации и фильтрации) отделяется выделившаяся в системе сбора жидкость. Затем очищенный газ подается в цех осушки. Цех осушки газа состоит из семи однотипных абсорберов, оснащенных массообменной ступенью из структурированной насадки и фильтрующей секцией для доулавливания гликоля, расположенной в верхней части аппарата.
На месторождениях содержатся сепараторы № 1–7 переливной трубы с фильтрующей секции в кубовую часть, были модернизированы:
– Сепараторы С-1, С-4 и С-5. По результатам инструментальных замеров, проведенных в 2021 году было установлено, что унос жидкости сепаратора С-1 не существенно превышает паспортные характеристики 20 мг/нм3, и достигает 20,7 мг/нм3, при расходе газа 343 тыс. м3/час и давлении 3,21 МПа, при перепаде 4,73 КПа.
-
В 2020 году сепаратор С-2. По результатам инструментальных замеров, при расходе 368,1 тыс. нм3/час при паспортном значении уноса жидкости 15 мг/нм3.[2]фактический унос составлял 26,7 мг/нм3, что несущественно превышает заявленные паспортные значения, при этом перепад давления составил всего 0,94 КПа, что является наилучшим показателем среди сепараторов.
-
Сепаратор С-3. При расходе 354,5 тыс. нм3/час унос жидкости не превышает заявленные паспортные значения равные 30 мг/нм3 и составляет 22,4 мг/нм3, при перепаде давления 2,40 КПа.
1.2 Сепарационное оборудование до момента модернизации
Рассмотрим отдельные конструктивные особенности создания российского и зарубежного сепарационного оборудования.
Сетчатые сепарационные элементы отличаются немалой удельной
поверхностью, небольшим сопротивлением гидравлического типа и небольшой высотой практической контактной ступени, легкостью изготовления. Но потеря жидкости с газом в сепараторах с этими элементами весьма высока, поэтому их использование необходимо лишь на установках предварительной сепарации и для работы при небольших массовых соотношениях газа и жидкости. Это связано, как правило, с неправильным распределением контактирующих фаз по всему сечению сетчатого отбойника, а также с отсутствием грамотного отвода жидкости, как, к примеру, в специальных сепарационных секциях с центробежными частями, что приводит к снижению свободного объема таких отбойников при накоплении там жидкости. Помимо этого, они больше, чем другие внутренние элементы, подвержены забиванию механическими примесями, включая при гидратообразования. [3]В таких случаях иностранные фирмы используют сетчатые насадки с наименьшей плотностью либо монтируют дополнительное оборудование с целью отделения примесей, включая простые промывные сепараторы либо дорогие сепараторы с обязательной очисткой их элементов.
Использование скоростных центробежных сепараторов гарантирует высокую продуктивность, а сами внутренние центробежные механизмы выполняют ряд функций – очистку газа и массообмен. Но потеря жидкости из сепараторов с такими механизмами не должна быть меньше конкретной величины: согласно данным Ruhrgas и иных иностранных источников, невозможно удачное отделение центробежной сепарацией частиц величиной меньше 10 мкм.
Один из факторов уменьшения эффективности сепарации капель небольшого диаметра – пульсация (то есть, перепады давления между потоками чистого газа и газожидкостной смеси), вызывающая колебания в элементах, нарушающая всю структуру вихря и вызывающая повторное дробление жидкостной пленки. Иной фактор – резкие скачки давления на центробежных механизмах, нарушающие фазовый баланс системы «газ – жидкость», что путем дроссель-эффекта в насыщенных газах становится причиной выпадения капель жидкости в этих механизмах.
Рисунок 1.2 Эскиз горизонтального насадочного сепаратора, который установлен над разделителем.
Диапазон эффективной сепарации на данных внутренних механизмах для нынешней газовой отрасли сегодня недостаточен, потому проработаны и используются усовершенствованные фильтры-сепараторы, наличие примесей в газе при выходе не должно превышать 1 мг/м3 для механических примесей и 5 мг/м3 – для жидких, однако сопротивление аппарата гидравлического типа не должно быть выше 0,03 МПа.
Исходя из опыта использования такого оборудования, уже известно, что одной из главных составляющих сопротивления гидравлического типа сепаратора выступает его фильтрующая часть, механизмы которой при использовании оборудования часто засоряются и становятся причиной повышения сопротивления гидравлического типа по аппарату.
Рисунок 1.3 Отложения на механизмах фильтрующего отдела.
Кроме того, регулярно нужна перемотка фильтр-патронов либо их замена, а если учесть, что срок их использования составляет примерно от трех месяцев до года в зависимости от содержания примесей в газовом потоке, то использование большого количества механизмов очень затратно. Особенно это видно в нынешних условиях, когда компании покупают их за границей, что в условиях стратегии импортного замещения считается нецелесообразным. По причине необходимости отказа от постоянной замены фильтр-патронов была проработана конструкция оборудования с возможностью качественной сепарации до отдела фильтрации, что дало возможность существенно снизить число остановок аппарата со сбросом давления и газовыми потерями, а также повысить межремонтный ресурс работы устройства.[1]
Технические решения, которые связаны с использованием насадочных устройств без применения фильтрационных отделов, а также опыт их удачного использования, были получены на абсорбционных аппаратах самых крупных газовых промыслов на Крайнем Севере, на станциях подземного хранения газа (ПХГ) и прочих объектах категории Газпром.
1.3 Совершенствование сепарационного оборудования за счет применения насадочных механизмов
Применение насадочных механизмов предоставило возможность отказаться от использования фильтр-патронов при условии сохранения наименьших потерь гликоля с чистым газом, а это позволило увеличить диапазон эффективного функционирования абсорберов, уменьшить потери дорогого абсорбента с сухим газом, уменьшить гидравлические потери в целом по оборудованию.
Нередко в существующем сегодня оборудовании в результате существенных гидравлических сопротивлений на центробежных механизмах, а также скачков скоростей и изменений плотности по всему сечению закрученного потока, небольшого времени пребывания фаз в аппарате фазовый баланс между газом и жидкостью часто не достигается, что отрицательно сказывается на сепарации.
Использование эффективных структурированных насадок при сепарации и массообмене позволяет добиваться фазового баланса, увеличивать выход жидких углеводородов и значительно уменьшать гидравлическое сопротивление внутренних механизмов, обеспечивающееся достаточным свободным объемом и равномерным распределением потока газа по всему сечению аппарата.
Кроме того, применение данных регулярных насадок в сепараторах с низкими температурами показало экономическую эффективность их использования. К примеру, замена центробежных механизмов на регулярные насадки в горизонтальном низком температурном сепараторе дала возможность:
повысить продуктивность работы аппарата НТС на 20 процентов;
уменьшить потери С3 на 35 процентов;
уменьшить потери С5 больше чем в 3,5 раза.
Использование насадок вместе с сепарационными центробежными механизмами дало возможность объединить положительные технические показатели вышеописанных внутренних устройств и применять это решение с целью расширения рабочего диапазона (минимум до четырех, в отличие от центробежных механизмов, [5] имеющих диапазон эффективной работы не больше двух) и увеличения эффективности сепарации на вертикальных входных сепараторах и сепараторах с низкими температурами.
Исходя из опыта использования сепарационного оборудования, можно сказать, что для достижения эффективности уноса жидкости вместе с газом меньше 5 мг/м3 обычно использовали фильтры-сепараторы.
1.4 Совершенствование сепарационного оборудования за счет применения
Но проведенные в последнее время исследования и опыт использования такого оборудования показали возможность достижения этих же параметров путем использования комбинации внутренних механизмов без фильтров. Как пример применения сепаратора с комбинацией внутренних механизмов без фильтров можно привести модернизацию аппаратов с промывочным отделом.
Изначально для модернизации сепаратора с таким отделом выбрали самое нагруженное по жидкости устройство. Сепаратор установили перед ГПА, он был предназначен для очистки газа от механических примесей и влаги, а с целью очистки солей в процессе выноса минерализованной воды установили секцию с промывкой пресной водой.
Рисунок 3.7 Модернизированный сепаратор с промывочным отделом
Модернизация являлась заменой инерционного узла входа, использованием новых центробежных механизмов, которые работали в двух режимах – с подачей жидкости для промывания и без, а также обеспечивали замену прямоточных центробежных механизмов на регулярную насадку.[6]
Учитывая технические требования, важно было предусмотреть установку фильтров в случае несоблюдения норм СТО и возможность обратной замены новых внутренних механизмов на проектные. По итогам выполненной модернизации и опыта использования аппарата на протяжении года были получены такие результаты:
повышение продуктивности на 15 процентов;
количество уносимой жидкости без подачи жидкости для промывки не превышало 3,4 мг/м3;
количество уносимой жидкости с условием подачи жидкости для промывки – 4 мг/м3;
при подаче жидкости для промывки концентрация минерализованной воды уменьшалась в 2–3 раза;
уменьшение перепада давления на внутренних механизмах составляло с 15–25 КПа до 1,9–2,7 КПа.
Отсутствие выноса жидкости на фильтрующий отдел модернизированных сепараторов дал возможность полностью отказаться от выходного сепарационного отдела, что позволило в процессе проектирования нового оборудования значительно уменьшить его высоту и, в итоге, снизить его металлоемкость.[4]
Положительные итоги промышленных исследований и более чем годовая наработка дали возможность выполнить модернизацию и иного схожего сепарационного оборудования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной научно-исследовательской работе рассмотрена динамика совершенствования сепарационного оборудования за счет применения новых контактных устройств, рассмотрены конструктивные особенности создания отечественного и зарубежного сепарационного оборудования.
Модернизация сепарационного оборудования, работающего в режиме падающего давления, за счет применения современных внутренних устройств позволяет не только увеличить его производительность и срок эксплуатации, но и решить вопрос увеличения единичной производительности модернизированного аппарата при сохранении качества подготовки газа с обеспечением возможности вывода одного из аппаратов на плановое обслуживание. Кроме этого появилась возможность отказаться от секции фильтрации за счет использования новых внутренних устройств, которые устанавливаются без применения сварки к корпусу сосуда и не затрагивают технологическую схему обвязки аппарата, что значительно снижает эксплуатационные затраты. Такие технические решения, примененные при модернизации сепараторов подтвердили правильность выбранного направления при разработке нового или реконструкции существующего оборудования объектов газодобычи.
Внедрение таких технических решений соответствует предъявляемым требованиям ведущих мировых компаний, и его следует рассматривать в рамках программы реконструкции и технического перевооружения объектов добычи газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Ванчин А.Г. Зависимость затрат, связанных с гидравлическим
сопротивлением магистрального газопровода от начальной температуры газа [Текст] / А.Г.Ванчин // Нефтегазовое дело. – 2020. – № 2. – С.262–278.
2 Глобальный взгляд. Годовой отчет ОАО «Газпром». [Текст с илл.]:
М.: ПАО «Газпром», 2023. – 169 с.
3 Калинин, А.Ф. Расчет, регулирование и оптимизация режимов работы газоперекачивающих агрегатов [Текст]: учебник/ А.Ф. Калинин. Москва: МПА-Пресс, 2011. 264 с.
4 Кустышев, А.В. Состояние и пути повышения эффективности капитального ремонта газовых и газоконденсатных скважин на месторождениях севера Тюменской области А.В. Кустышев, И.И. Клещенко, Т.И. Чижова, В.В. Кузнецов // Обзорная информация по разработке и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений. – Москва: ИРЦ Газпром, 2014 – 60 с.
5 Мустафин, Ф.М. Машины и оборудование газонефтепроводов [Текст]: учеб. пособие для вузов /Ф.М.Мустафин, Н.И.Коновалов, Р.Ф.Гильметдинов. Уфа: Монография, 2019. – 384 с.
6 Наместников, С.В. Анализ эффективности применения системы массового обслуживания с потерями и остановкой при организации ремонтных работ скважинного оборудования / Р.Р. Кучумов, С.В. Наместников // Роль молодежи в развитии инновационных технологий в научных исследованиях. Матер.регион. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященной 50-летию ТюмГНГУ. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2020. – С. 42–44.