Модернизация процесса абсорбционной осушки газа на газоконденсатных месторождениях

Копытцев, Владимир Александрович

Автореферат диссертации по теме "Модернизация процесса абсорбционной осушки газа на газоконденсатных месторождениях"

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. Губкина

На правах рукописи УДК 66.071.7+ 665.612.074

КОПЫТЦЕВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИОННОЙ ОСУШКИ ГАЗА НА ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Специальность: 25.00.17 - «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых

месторождений»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003466725

Работа выполнена в Российском Государственном Университете нефти и газа имени И.М. Губкина

Научный руководитель

Доктор химических наук, профессор Мельников В.Б.

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Дунюшкин И.И. Кандидат технических наук Зиберт Г.К.

Ведущее предприятие: ООО «ВНИИГаз»

« 2009 в 1^^часси

Защита диссертации состоится • аудитории ( на заседании диссертационного совета Д.212.200.08 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук при РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу:

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 65, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа им И.М.Губкина Автореферат разослан « 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н. профессор С^ Сомов Б.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы и постановка задачи

Мировое потребление природного газа растёт более высокими темпами по сравнению с другими видами энергоресурсов.

Разработка крупнейших газоконденсатных месторождений, таких как Уренгойское, Медвежье, Ямбургское, Заполярное, Юбилейное обусловила развитие и внедрение новых технологических и конструктивных решений в области добычи, сбора, подготовки, транспорта и хранения газа.

Одной из основных стадий в последовательной цепочке разработки и эксплуатации месторождений, является подготовка газа к промысловому и дальнему транспорту на установках комплексной подготовки газа (УКГТГ).

Главной функцией УКПГ, является обработка газа до определенного ГОСТом качества, соответствующего условиям транспортировки по магистральным газопроводам. Исследование и решение вопросов, связанных с подготовкой газа в течение всего периода эксплуатации месторождений, является одной из важнейших задач. Проблемы, возникающие в этот период вызваны падением давления, изменением температуры и состава продукции скважин.

Одним из основных решений в данном направлении является разработка высокопроизводительных установок подготовки газа, а также объединение нескольких технологических процессов в одном многофункциональном аппарате.

На газовых и газоконденсатных месторождениях широко применяется процесс абсорбционной осушки газа.

Задача, поставленная в данной исследовательской работе, состоит в выявлении проблем возникающих при подготовке газа к транспорту, создание адекватной математической модели и компьютерной программы,

позволяющей вести расчет процесса абсорбции при изменении термобарических параметров газа непосредственно на газовом промысле.

В диссертационной работе рассматриваются теоретические основы процесса абсорбции, применение в промышленности абсорбционного метода осушки газа, а также методика работы с новой разработанной программой МПА (Моделирование Процесса Абсорбции). Программа позволяет вести расчет и моделирование процесса абсорбции, расчет гидравлических сопротивлений, геометрических размеров аппарата. В работе представлении результаты впервые проведённого моделирования действующих узлов и элементов аппарата с визуализацей динамического изменения параметров, что позволяет оптимизировать работу абсорбционно-сепарационного аппарата.

В работе предложен вариант возможной модернизации сепарационной секции многофункционального аппарата осушки газа.

Цель диссертационной работы заключается:

1. в модернизации и оптимизации процесса осушки газа в абсорбционно-сепарационном аппарате на УКПГ в период снижения пластового давления;

2. в создании модели и методике выбора технологически оптимальной конструкции элементов абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа в условиях изменения термобарических параметров газа;

3. в разработке рекомендаций по технологическому усовершенствованию абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

Основные задачи, поставленные в диссертационной работе

1. разработать алгоритм расчета абсорбционно-сепарационного аппарата и основных технологических параметров осушки газа в период падающей добычи;

2. дать анализ технологии очистки газожидкостных смесей.

3. провести анализ поведения газожидкостного потока в сепарационной секции и сепарационном элементе в зависимости от состава и термобарических условий входящего газа.

4. создать методику расчета процесса абсорбционной осушки газа в многофункциональном аппарате, эксплуатируемом в составе УКПГ.

Научная новизна

1. Усовершенствованна математическая модель расчета абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

2. Разработана компьютерная программа "Моделирование Процесса Абсорбции" (МПА), учитывающая изменение параметров входящего потока и, позволяющая оптимизировать процесс абсорбционной осушки газа и рассчитывать конструкцию элементов многофункционального аппарата с учетом изменения параметров газа в процессе разработки месторождения.

3. Впервые с использованием программы Fluent и применением моделируемой конструкции, рассчитанной в программе МПА, показано движение газожидкостного потока (добываемого флюида) в сепарационной секции аппарата и в сепарационном массообменном элементе. Показано динамическое распределение фаз, что позволяет моделировать более эффективные конструкции и технологию процесса с учетом состава и гидродинамики потока.

4. Выполнено моделирование предложенной модернизации сепарационной секции аппарата осушки газа.

Основные защищаемые положения:

1. Математическая модель модернизации абсорбционно-сепарационного аппарата, позволяющая проводить расчет геометрических размеров и гидравлических потерь.

2. Обоснование результатов моделирования поведения газожидкостной смеси в сепарационной секции и сепарационном элементе.

3. Предложения по модернизации многофункционального аппарата, состоящие в использовании дополнительных завихрителей потока на входе в аппарат.

Практическая значимость работы:

Разработана компьютерная программа, основанная на математической моделе расчета абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

Разработанная программа «МПА» позволяет проводить расчет технологического режима, гидравлических сопротивлений и конструкции абсорбционно-сепарационного аппарата и его элементов в период изменения термобарических условий сбора и подготовки газа на промыслах с целью оптимизации процесса.

Получены новые визуализированные данные моделирования движения газожидкостного потока в сепарационном элементе и сепарационной секции, состоящие в определении структуры и гидродинамики газожидкостного потока в зависимоси от его состава, которые могут быть использованы для оптимизации процесса абсорбционно-сепарационной осушки газа.

Предложены рекомендации по модернизации существующих абсорбционно-сепарационных аппаратов осушки газа. В их число входит изменение структуры и состава входящего в аппарат потока газа,

усовершенствование входной сепарационной секции, путем установки дополнительных завихрителей.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. На научно-технических семинарах кафедры Разработки и Эксплуатации Газовых и Газо-Конденсатных Месторождений РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2004, 2005 г.

2. На презентации программы Fluent в России. 2006 г.

3. Апробация разработанной программы «МПА» проведена в научно-техническом центре ОАО «Надымгазпром». 2006 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, одно методическое пособие и получено авторское свидетельство РФ на компьютерную программу.

Благодарность

Выражаю признательность своему научному руководителю профессору Мельникову В.Б., коллективу кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений РГУ нефти и газа им И.М. Губкина за помощь и поддержку в работе.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, включая 105 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, изложены цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ предшествующих исследований, а также промышленного оборудования используемого на УКПГ. Рассмотрены теоретические основы процесса абсорбционной осушки газа, представленны уравнения балансов и массопередачи, описана кинетика процесса, а также основные факторы, влияющие на процесс абсорбционной осушки газа. Изложены теоретические основы разделения жидких и газовых фаз.

Одним из основных процессов подготовки газа к транспорту при его добыче, является процесс сепарации, в основу которого положены силы центробежного и инерционного осаждения частиц в сепарационной секции многофункционального аппарата.

Ускорение частицы в закрученном потоке можно определить следующим образом:

\¥г2

а =-

г '

где т (м/с)- линейная скорость в направлении вращения (тангенциальная составляющая); г (м)-радиус вращения частицы; а (м/с2)-ускорение частицы.

Скорость осаждения частиц в центробежном поле равна:

" Ь рг 4

где Ар - разность плотностей дисперсной и сплошной фаз;

рг — плотность сплошной фазы (газа), (кг/м3); (1Ч - диаметр частицы дисперсной фазы (м); - тангенциальная составляющая скорости частицы (м/с); 4 - коэффициент сопротивления среды.

2 ,

— г ~ а г' £ - фактор разделения. g — ускорение свободного падения (м/с2).

При вращении тела возникает центробежная сила С (в (кг.м)/с2), направленная по радиусу от оси вращения и равная произведению массы тела ш (кг) на квадрат окружной скорости АУ (в м/с), деленному на радиус вращения г (в м):

С=тП'2/г или С=ЫГ2&.

Выражая окружную скорость через угловую \У=шг или через частоту вращения п (число оборотов в минуту) 1У=2лгп/60, значение центробежной силы равно:

С=тсо2г=Ссо2г.

Отношение центробежной силы к силе тяжести, которое соответствует отношению ускорения, создаваемого центробежной силой т2г, к ускорению силы тяжести g равно: С/в= ГУ^оЛ/^т- п/900=Кч.

Это отношение показывает, во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести и называется фактором разделения. В поле действия центробежных сил процесс разделения интенсифицируется пропорционально величине фактора разделения.

Из выражения следует, что величина Кц растет пропорционально квадрату числа оборотов п и радиусу вращения г.

Теоретические основы разделения газожидкостных смесей позволяют правильно сформулировать задачу и задать граничные условия

для разработки модели и способов моделирования газожидкостного потока в абсорбционно-сепарационных аппаратах подготовки газа.

Во второй главе проведен анализ технологии и различных конструкций многофункциональных аппаратов осушки газа, конструкций применяемых элементов и узлов аппаратов. Выявлены основные проблемы, возникающие в процессе подготовки газа на установках комплексной подготовки газа.

При анализе технологии и структуры абсорбционно-сепарационного аппарата, состоящего из трех секций, выполняющих самостоятельные технологические функции, был определен ряд недостатков.

Одной из основных проблем является недостаточная осушка газа, характеризующаяся температурой точки росы и регламентируемая отраслевыми стандартами. Возможной причиной может являться низкий КПД работы сепарационной секции, которая первая по ходу газа в аппарат встречает поток и очищает его от пластовой жидкости и механических примесей.

Другая трудность, с которой сталкиваются при подготовке газа к транспорту - это вынос ди(три)этиленгликоля из сепарационной секции в массообменную, и как следствие, неустойчивая работа массообменных элементов, влекущая за собой повышенный расход осушителя и повышение температуры точки росы, что, в свою очередь, не отвечает отраслевым стандартам качества газа к промысловому и дальнему транспорту, в соответствии с которыми, газ должен иметь установленную точку росы.

Способ подачи газожидкостного потока в аппарат влияет на равномерность распределения по объему секции, а значит является одним из факторов, обеспечивающих эффективную работу сепарационной секции.

* ¡"Hiiiiliijî

i

Б-Б

£

Рисунок 1. Распределение скоростей газа на входе в сепарационную секцию.

В работе массообменных и сепарационных элементов имеется ряд недостатков.

Рисунок 2. Центробежный элемент с рециркуляцией газа 1 IIP 635.00.000

На рисунках 1 и 2 показаны: конструкция центробежного элемента и секция входа газа, в которых возникает ряд технологических проблем, таких как низкая производительность, небольшой фактор разделения, вспенивание ДЭГ(ТЭГ), вызванных плохой гидро и аэродинамической характеристикой данных узлов.

«

1-завихритель тангенциальный (вход газа);

2-корпус-труба;

3-труба выхлопная;

4-переход конический;

5-вытеснитель сферический;

6-съемник примесей и выход газа; 7,8-труба рециркуляции; 9-донышко.

Исходя из анализа промысловых данных многофункциональный аппарат гликолевой осушки газа, применяемый на северных месторождениях, должен быть модернизирован в целях улучшения работы узлов и элементов аппарата для повышения эффективности подготовки газа к транспорту. На рисунке 3 цветными прямоугольниками показаны зоны, подлежащие модернизации.

Вход газа 4

1. Штуцер входа газа;

2. Штуцер выхода газа;

3. Штуцер входа РТЭГа;

4. Штуцер выхода НТЭГа;

18, 23,25. Тарелки с центробежными элементами ГПР353.00.000 (105шт.);

19,20, 21. Тарелки с массообменными элементами ГПР340.00.000 (199 шт.);

22. Тарелка с фильтр-патронами;

ТТТПТГ"

Рисунок 3. Многофункциональный аппарат осушки газа.

Из вышеописанной проблематики, выявленной во время анализа работы аппарата, модернизация должна коснуться способа подачи скважинной продукции в аппарат, сепарационной и массообменной секций.

В третьей главе представлена модель расчета абсорбционно-сепарационного аппарата, включающая определение геометрических размеров аппарата и гидравлических потерь по аппарату. В моделе использованы известные уравнения гидродинамики, включающие расчет гидравлических сопротивлений, расхода газа и осушителя, скоростей по сечению аппарата и в элементах, применяемых для такого типа аппаратов.

Разработана программа МПА (Модернизация Процесса Абсорбции), в основу которой положен расчет абсорбционно-сепарационного аппарата и технологии подготвки газа в нем.

Расчет состоит из определения числа теоретических тарелок, построения равновесной и рабочей линий для различных температур входящего потока, определения количества ДЭГа, расчёта массообменной секции (элементы ГПР 353.00.000), определения параметров выходной сепарационной секции, расчёта входной сепарационной секции, расчета гидравлического сопротивления контактных тарелок, проверки расстояния между контактными тарелками, проверки высоты кубовой части аппарата, определения общего гидравлического сопротивления аппарата.

Расчет расхода абсорбента:

л °ь'Х г

^РДЭГ - (у у- \

№ -Х-гУРж

где Х1 - концентрация регенерированного ДЭГа, (%); Х2 - концентрация насыщенного ДЭГа, (%);

— масса поглощенной влаги в еденицу времени, кг/ч; рж - плотность ДЭГа, кг/м3.

Расчет массообменной секции:

Qmn =fVmn ' nk-c • Fk-c '86400 Т°'Рр

Tp-P0-Z '

где: То-температура при нормальных условиях, К; Ро — давление при нормальных условиях, кПа; Рр— рабочее давление, кПа; Тр -рабочая температура, К; IV„¡„- минимальная скорость газа, м/с; п к< - число элементов, шт; Р ^ - площадь элемента, м2; 2- коэффициент сверхсжимаемости газа.

Расчет выходной сепарационной секции: Критическая скорость газа в сепарационном элементе

W =А8ад{Р»~Рг) (м/с),

" 11 Р\

где:

<7Д- поверхностное натяжение ДЭГ, Н/м; Рд— плотность диэтиленгликоля, кг/м3; Рг~ плотность газа, кг/м3; А"-эмпирический коэффициент.

Объёмная секундная производительность, м3/с

1,1-0 ■Т Z ■Р

_ > хСном о

Чсек ~ 86400 T0 Z0-P ' Расчёт входной сепарационной секции:

8 •ож-{рж-рг)

где:

А - коэффициент увеличения скорости для кольцевой насадки; С/- коэффициент, учитывающий сжатость объема; Се - коэффициент, учитывающий влияние начального содержания жидкости.

Расчет гидравлического сопротивления контактных тарелок:

АР — АР =£ 'Рг

сух Ьк ~

— 8 - коэффициент сопротивления контактной тарелки Действительная скорость газа в контактно-сепарационных элементах,

м/с

Я сек

=

Рк-с ■ Пк-с

где:

Ясен— расход газа, м3/с;

Р к-с - площадь сечения одного сепарационного элемента, м2; п к-с — количество контактно-сепарационных элементов на тарелке,

шт.

Гидравлическое сопротивление сепарационных тарелок, мм. вод. ст.

д/>

сеп Ь -

где:

¿¡— коэффициент сопротивления сепарационной тарелки; Шс - скорость газа в сепарационном элементе, м/с; Расчет общего гидравлического сопротивления аппарата: Полное гидравлическое сопротивление аппарата:, мм. вод. ст.

АР^а\АРк+АРап+АРф+Ы>гл+АРкл+^шп) ■

Полное гидравлическое сопротивление аппарата состоит из: сопротивления контактных тарелок, сепарационных тарелок, сопротивления фильтр патронов, глухой тарелки, вертикальной кольцевой насадки и штуцеров входа и выхода газа.

В четвертой главе представлены результаты расчета абсорбционно-сепарационного аппарата в программе МПА, а также приведены результаты моделирования сепарационной секции и массообменного элемента.

Ф4пл Работ« Ижтройо Поиошк

Лвниые д^а мечете

1. Расчет колместм ДЭГ« [ТЭГ«)

7. Расчйг вьиэатй оепарациотсА

б. Расчет маной свг4ршио»»«й сетчатая немала]

9 Расчет г щюйтаре!»"

Данные для расчета

Рабочее длележе, КГи Даалвиие гам и« шпале, ИТа рабочее теетература, К Коэффициент сверхсяомАемкти

Тежератур* 'рнм/у, к Дав пение при и/у, МПв Ко»фф>«иент еверхсктвепоетн гри Глотмост» гам, «г/пЗ

гг

Пгг

ггг"

Г 55,6

Устрани свободного падеж«, н/с2

!1 П»

•одэга

Ллсгоостк РДЭГ« (тэта), «т/М Плотность НДЭГв (НТЭГа), кг/нЭ

Влагосмвркание. гМ

.. в/игосомомние. гЛлЗ

Влагосэдркаг»*, гМ

Рисунок 4. Форма из программы МПА для введения исходных параметров.

Программа МПА рассчитывает графическим способом количество теоретических тарелок и выводит на дисплей для ее анализа (Рис.5).

Рисунок 5. Графическое определение количества теоретических тарелок.

X — Ось значений концентрации влаги в гликоле, моль воды/моль газа;

У - Ось значений концентрации влаги в газе, моль воды/моль гликоля

Также программа строит сводную таблицу, в которую выводятся все исходные и рассчитанные параметры (Рис.6).

i^'iiiViU'iim.! ii'jj'j i и I^TH ИИМШУЖ^У^"*^^ --- - ~. - • ^ ^

•!i§j3 файл Циека Вставке Фориат Cgpew: ::' Данные : : фсно Справка . ' Г-мя Р'ярос » & х

m & я aajâay и « - "i - si ¿iia -Й -

л"и ; - jgк\шg*g y: ' »щ§■ ¡>i-a-s|& s sШ ®.

Al Л: fi МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА __

I «Д S ite t ..;: , I H - fa; [Источник ошибкиГ

МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА |

Технологический расчет основного многофункционального аппарата

Данные для расчета ;

41 ее/О :06ь£»ия произпздсетнхтьпогазу, »3*ут 7,5 : Рабэ-ге Ьзсгеи'е, ЫПэ

5 : Давление на входе, МПа |

3101: Рабочая температура, ОС I

0,81 : ймффи^ент свехжшаемости } }

293; : Температура при нормальных условиях, оС 0,1 \: Явление при нормальных условиях, МПа

1: : йэзф(|мциент сверхотиаености при нормальных условиях £5,6 :г.-ютюствгаза,«г.'1|3 } 1107|: Плотность ДЭГа, кг/из ; ^ [

ИХ :Плстнос-ьНЛЗГа, кЛй -10}: Точка росы осушенного газа/пето/, ос 1

-20;: Точка рош осушенного газа/зима/, ОС

_ 26} : Температура газа на входэ/лето/,оС__

20:: Температурагазанавходейима/,оС $9 И Массовая доля регенерированного ДЭГа, % I 96]; Массовая доля насыщенного ДЭГа, %

11 12 13" Ï4 "15 16 17

Ж

19

20 2Ï 22'

23

24

25

26 27 20 29

Ж

31

32

23 *34 35

Ж

37

щ.

39

40

Ж

Ai

43

Готово

[ Г^зи температуре точки росы : -10;

2/188::А1.......! ...........j .............. :.....................!"

0,062: : Влалзсодержание 1

: Г^и температуре точки росы : -20} 0,96: :А2

C.013S к J , _ 0,026: : Влагосодержание 2

I При температуре точки росы : 25:

24,16 } ; I

MMiiiiziizz i::::: z т

0,617} : Влапзсодержзние 3 }

: Цм температуре точки росы : 20 :

17,87]: A4.................

0,112 : Е4 ................}

0,465} : Впагосодержание 4

45 ; : Поверхностное натятение ДЭГа при 25 ос

9,8} :Уторен1№своСодноп1пэдения, ute2 }

►1Г

Рисунок 6. Сводная таблица результатов расчета.

П»и устойч-вости гроцесса для данной! конструкцг* I

} 1 -

г ■V.! -\ !

13 ' ^

•Л.....:п

-1-!-1--1- —

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1.5 1,0 Расходгава*100000 ку€.мгаза в сутки

-Л»М1ЯМ**»лгагь«э

1 ДСГГуСИ 1Р.-ЬК

(ВбоыМОГР)

—Л«ямопр

2 мэдерм сиргоатсго аптс^егга

— Лт^яЦРПРс 3 услселем гскгсеня талг нэ5гред.

—Лмгя Г.-ДТР при 4 1-е м:> о»и числа

Рисунок 7. Линии устойчивости процесса (для выбранной конструкции действующего абсорбционно-сепарационного аппарата).

В виде обобщенного анализа работы процесса и аппарата абсорбционно-сепарационной осушки газа на графике (рис.7) представлены линии устойчивости процесса, представляющие собой минимально возможные параметры работы системы при которых процеес осушки проходит эффективно. Зона ниже этих линий характеризует работу аппарата, как не устойчивую. Это означает, что при сохранении тех же термобарических параметров входящего потока, аппарат не выполняет полностью свои технологические функции, т.е. не обеспечивает нормальную работу при снижении давления процесса ниже расчетных параметров.

К примеру, при невозможности изменения каких либо параметров работы и при сохранении конструкции, так, чтобы аппарат обеспечивал устойчивую работу, необходимо переместить точку А (существующие условия работы аппарата) выше первой линии. Но, так как мы не имеем возможностей в наращивании давления и снижения расхода газа, остается только изменить положение первой линии (синяя под номером 1)

относительно точки А, т.е. необходимо изменение термобарических условий.

Чтобы изменить положение линии относительно точки А необходимо изменить конструктивные параметры абсорбционно-сепарадионного аппарата или изменить те параметры потока, которые не влекут за собой изменения в суточном расходе.

Синяя линия описывает условие работы аппарата без модернизаций и изменений термобарических параметров входящего газа.

Красная линия показывает возможность работы аппарата при изменении только скорости потока жидкости в переливе.

Зеленая линия показывает изменение зоны устойчивой работы аппарата в сторону увеличения зоны эффективной работы при условиях изменеия скорости жидкости в переливе и одновременном понижении температуры входящего потока газа на 5°С.

Тёмно-синяя линия показывает изменение в сторону увеличения зоны эффективной работы аппарата при условии изменения скорости жидкости в переливе, понижения температуры газа на 5°С и изменения количества сепарационных элементов в сепарационной секции аппарата.

Для расширения возможностей программы МПА и проверки, рассчитанных параметров также была применена программа Fluent.

В программе Fluent по геометрическим размерам, рассчитанным в программе МПА, была создана конструкция сепарационной секции, сгенерирована сетка и заданы граничные условия (Рис.8). Синим цветом выделен (1) штуцер входа газа, а красным выход газа из сепарационной секции (2) и штуцер отвода отсепарированной жидкости и механических примесей (3).

Проведенное моделирование показало, что при входе газожидкостной смеси, в составе которой около 10 % капельной пластовой жидкости, изменяется гидродинамика потока внутри сепарационной секции (Рис.9).

Рисунок 8. Сепарационная секция с генерированной сеткой.

Жидкая фаза

Шг Ж) Объем, занятый другими фазами И^И (песок)

Рисунок 9. Изменение скорости газожидкостного потока во времени при его входе в сепарационную секцию.

1,2 - продолжительность течения потока в сепарационной секции 2,217 с. и 6,851 с. соответственно.

Также выявлена зависимость между содержанием в газожидкостном потоке капельной пластовой жидкости и песка и её распределение по стенке массообменного элемента. За основу модели массообменного сепарационного элемента принят стандартный элемент, применяемый в многофункциональных аппаратах осушки газа, модель которого представлена на рисунке 10.

Рисунок 10. Модель сепарационного эелемента.

В работе показано, что при входе газа в массообменный элемент, в составе которого отсутствует песок, распределение газа и жидкости по стенке элемента происходит в соответствии с проектными данными. Т.е., на стенке по всей высоте элемента жидкость движется в виде пленки, где на выходе из элемента жидкость поступает на каплесъемник, а газ проходит через центральное отверстие, как показано в динамике на рисунке 11.

] Газовая фаза Жидкая фаза

Нумерация рисунков выполнена в соответствии со следующими временными значениями течения потока в сепарационном элементе:

1-0.002 с.

2-0.007 с.

3-0.018 с.

4-0.035 с.

Рисунок 11. Динамика изменения во времени, объемного распределения газожидкостной смеси на стенке сепарационного элемента в отсутствии песка.

Рисунок 12. Фазовое распределение газожидкостного потока в присутствии песка в составе потока.

Как только в составе потока появляется песок, это приводит к изменению фазового распределения песка и жидкости по сечению сепарационного элемента (Рис.12).

Проведенное моделирование показало, что несоответствие расчетных и промышленных параметров работы установки происходит из-за изменения структуры потока, его распределения по аппарату и в сепарационных элементах, что связано с изменением состава газожидкостного потока в течение эксплуатации месторождения.

выводы

1. Проведенный анализ термобарических условий и технологических параметров работы процесса абсорбционной осушки газа выявил ряд проблем. В процессе разработки и эксплуатации газового месторождения происходит изменение температуры и падение давления на забое, а также поднятие газоводяного контакта. Это приводит к увеличению влагосодержания газа, что требует совершенствования процессов подготовки газа, разработки более эффективных методов моделирования, адекватно отражающих изменение параметров добываемого флюида в период падающей добычи газа.

2. Разработана математическая модель расчета абсорбционной осушки газа и абсорбционно - сепарационного аппарата, на основе которой создана компьютерная программа «МПА» - моделирование процесса абсорбции. В модель включён гидравлический расчет, а также расчет геометрических размеров аппарата и его элементов. С помощью программы оптимизируются технологические параметры процесса, геометрические размеры элементов и узлов аппарата, в связи с изменением термобарических условий и состава скважинной продукции в течение всего периода разработки и эксплуатации газового месторождения.

3. Использование программы Fluent для полного и достоверного исследования процесса абсорбционной осушки газа позволило получить динамические параметры работы сепарационной секции и сепарационного элемента и выполнить моделирование многофункционального аппарата осушки газа.

4. Выявлена зависимость изменения распределения фаз газожидкостного потока в сепарационной секции и сепарационном элементе в зависимости от содержания механических примесей и/или капельной жидкости в газовом потоке. Газовый поток, в составе которого только капельная

жидкость, распределяется в сепарационном элементе следующим образом: более тяжелая жидкая фаза оседает на стенке элемента и поднимается в виде пленки к каплесъемнику.

При содержании в составе газа, наряду с жидкой фазой, механических примесей происходит осаждение твердой (песочной) фазы на стенке элемента, тогда как менее тяжелая жидкая фаза скользит по песку и поднимается вверх. В этом случае диаметр каплесъемника не позволяет осуществлять необходимое разделение фаз, и жидкость через центральную ось элемента уходит на следующую ступень осушки.

5. Установлена зависимость изменения количества сепарационных элементов от изменения температуры процесса, расхода газа и давления. С уменьшением давления увеличивается необходимое число сепарационных элементов, а с понижением температуры количество необходимых сепарационных элементов уменьшается.

6. На основе полученных результатов моделирования, проведенного с помощью программ «МПА» и «Fluent», предложен новый способ очистки газа от механических примесей, заключающийся в создании нескольких завихрителей небольшого диаметра, установленных в потоке входящей газожидкостной смеси в аппарат. Это позволяет увеличить количество осаждаемой жидкости и песка в сепарационных элементах за счет увеличения центробежной силы, создаваемой завихрителями, и повысить эффективность работы МФА.

7. Апробация разработанной программы «МПА» проведена в научно-техническом центре ОАО «Надымгазпром». 2006 г.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Копытцев В.А., Мельников В.Б., Клунный А.Ю., Холявин Д.Ю. Математическая модель аппаратов осушки газа в целях их модернизации. - М.: «Нефтегазопромысловый инжиниринг», №4, 2004 г., с 33-34.

2. Копытцев В.А., Холявин Д.Ю., Клунный А.Ю., Мельников В.Б. Математическое моделирование работы многофункциональных аппаратов осушки газа. - М.: «Газовая промышленность», №5, 2005 г., с 83-84.

3. Мельников В.Б., Копытцев В.А. Методическое пособие. Технологический расчет абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа. — М.: РГУ нефти и газа им И.М.Губкина, Москва, 2006 г.72 с.

4. Копытцев В.А., Мельников В.Б. Результаты моделирования нижней секции и сепарационного элемента многофункционального аппарата осушки газа. - М.: Наука и техника, № 1,2007 г. с.60-64

5. Копытцев В.А., Мельников В.Б. Результаты моделирования сепарационного элемента установленного в многофункциональном аппарате осушки газа. — М.: Нефтегазопромысловый инжиниринг, № 3,2006 г., с 31-33.

Подписано в печать 03.04.2009 г. Печать трафаретная Заказ № 1450 Тираж: 100 экз. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Копытцев, Владимир Александрович

Введение

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИИ И

СЕПАРАЦИИ

1.1.Физическая сущность процесса абсорбции

1.2. Основное уравнение массопередачи

1.3. Материальный баланс абсорбера

1.4. Кинетика абсорбции

1.5. Графический расчет числа теоретических тарелок.

1.5.1. В абсорбере

1.5.2. В десорбере

1.6. Тепловой баланс

1.6.1. Абсорбера

1.6.2. Десорбера

1.7. Основные факторы, влияющие на процесс

Абсорбции

1.8. Физическая сущность процесса сепарации

2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО АБСОРБЦИОННО-СЕПАРАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ АБСОРБЦИОННОЙ

ОСУШКИ ГАЗА

2.1. Насадочные абсорберы

2.1.1. Устройства распределения газа

2.1.2. Выбор насадки

2.1.3. Регулярные насадки

2.1.4. Гидродинамические режимы в насадочных колоннах

2.2. Тарельчатые абсорберы 75 2.2.1. Тарельчатые колонны оборудованные сливными устройствами

2.2.1.1. Колпачковые тарелки

2.2.1.2. Клапанные тарелки

2.2.1.3. Ситчатые тарелки

2.2.1.4. Пластинчатые тарелки

2.2.1.5. Гидродинамические режимы работы тарелок 88 2.2.2. Тарельчатые колонны без сливных устройств

2.2.2.1. Типы провальных тарелок 92 2.2*2.2. Гидродинамические режимы работы провальных тарелок

2.3. Многофункциональный аппарат осушки газа

2.4. Технологические схемы абсорбционной осушки газа

2.5. Выводы

3. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИИ И СЕПАРАЦИИ В АБСОРБЦИОННО-СЕПАРАЦИОННОЙ

КОЛОННЕ

3.1. Определение числа теоретических тарелок

3.2. Расчет расхода абсорбента

3.3. Расчет массообменной секции

3.4. Расчет выходной сепарационной секции

3.5. Расчет входной сепарационной секции

3.6. Расчет глухой тарелки

3.7. Расчет гидравлического сопротивления контактных тарелок

3.8. Расчет общего гидравлического сопротивления аппарата

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АППАРАТА, УЗЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Разработка компьютерной программы и расчет процессов абсорбции и сепарации в абсорбционно-сепарационном аппарате осушки газа

4.2 Анализ результатов расчета по программе МПА.

4.3 Сопоставление полученных результатов с помощью специального программного пакета Fluent

4.4 Предложения по модернизации

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Модернизация процесса абсорбционной осушки газа на газоконденсатных месторождениях"

Одной из важнейших научно-технических и производственных проблем в области подготовки природного газа и газоконденсата к дальнему транспорту, в соответствии с отраслевыми стандартами, является оптимизация процессов промысловой переработки продукции скважин на весь период разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений.

Экстремальные условия добычи углеводородов и, соответственно, работы установок комплексной подготовки газа заставляют использовать все более разносторонний подход к изучению явлений и процессов, происходящик как в пласте, так и подготовке газа.

Как показала практика, существует несколько крупных проблем на установках комплексной подготовки газа (УКПГ), осуществляющих осушку газа путем абсорбционно-десорбционного процесса в многофункциональных аппаратах (МФА).

Существуют такие проблемы, как падение давления газа на входе в УКПГ из-за снижения пластового давления, появление на некоторых установках масла на входе в УКПГ из-за ввода дожимных компрессорных станций, низкий КПД работы некоторых секций многофункциональных аппаратов, унос гликоля из МФА, вынос пластовой жидкости из сепарационной секции МФА в массообменную.

Для решения существующих проблем были поставлены следующие задачи: выявить основные факторы и зависимости, влияющие на эффективность работы МФА по осушке газа, разработать компьютерную программу для оптимизации процесса осушки газа в

МФА и расчета конструкции и гидравлических потерь в аппарате, предложить возможные варианты модернизации.

В процессе выполнения диссертационной работы исследованы параметры процесса осушки газа, поведение газожидкостного потока в теле аппарата в условиях изменения термобарических условий и состава флюида, разработана программа, позволяющая проводить расчет конструкции элементов и узлов аппарата и гидравлический расчет, оптимизирована работа нижней сепарационной секции МФА и сепарационного элемента, а также предложена модернизация процесса осушки газа в МФА.

Реализация предложенных диссертантом рекомендаций может обеспечить значительное улучшение показателей работы систем абсорбционной осушки газа и снизить возможные затраты, связанные с эксплуатацией установок подготовки газа.

Актуальность темы и постановка задачи:

Мировое потребление природного газа растёт более высокими темпами по сравнению с другими видами энергоресурсов.

Разработка крупнейших газоконденсатных месторождений, таких как Уренгойское, Медвежье, Ямбургское, Заполярное, Юбилейное обусловила развитие и внедрение новых технологических и конструктивных решений в области добычи, сбора, подготовки, транспорта и хранения газа.

Одной из основных стадий в последовательной цепочке разработки и эксплуатации месторождений, является подготовка газа к промысловому и дальнему транспорту на установках комплексной подготовки газа (УКПГ).

Главной функцией УКПГ, является обработка газа до определенного ГОСТом качества, соответствующего условиям транспортировки по магистральным газопроводам. Исследование и решение вопросов, связанных с подготовкой газа в течение всего периода эксплуатации месторождений, является одной из важнейших задач. Проблемы, возникающие в этот период вызваны падением давления, изменением температуры и состава продукции скважин.

Одним из основных решений в данном направлении является разработка высокопроизводительных установок подготовки газа, а также объединение нескольких технологических процессов в одном многофункциональном аппарате.

На газовых и газоконденсатных месторождениях широко применяется процесс абсорбционной осушки газа.

Задача поставленная в данной исследовательской работе, состоит в выявлении проблем возникающих при подготовке газа к транспорту, создание адекватной математической модели и компьютерной программы, позволяющей вести расчет процесса абсорбции при изменении термобарических параметров газа непосредственно на газовом промысле.

В диссертационной работе рассматриваются теоретические основы процесса абсорбции, применение в промышленности абсорбционного метода осушки газа, а также методика работы с новой разработанной программой МПА (Моделирование Процесса Абсорбции). Программа позволяет вести расчет и моделирование процесса абсорбции, расчет гидравлических сопротивлений, геометрических размеров аппарата. В работе представленны результаты впервые проведённого моделирования действующих узлов и элементов аппарата с визуализаций динамического изменения параметров, что позволяет оптимизировать работу абсорбционно-сепарационного аппарата.

В работе предложен вариант возможной модернизации сепарационной секции многофункционального аппарата осушки газа.

Цель диссертационной работы заключается:

1. в модернизации и оптимизации процесса осушки газа в абсорбционно-сепарационном аппарате на УКПГ в период снижения пластового давления;

2. в создании модели и методике выбора технологически оптимальной конструкции элементов абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа в условиях изменения термобарических параметров газа;

3. в разработке рекомендаций по технологическому усовершенствованию абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

Основные задачи, поставленные в диссертационной работе

1. разработать алгоритм расчета абсорбционно-сепарационного аппарата и основных технологических параметров осушки газа в период падающей добычи;

2. дать анализ технологии очистки газожидкостных смесей.

3. провести анализ поведения газожидкостного потока в сепарационной секции и сепарационном элементе в зависимости от состава и термобарических условий входящего газа.

4. создать методику расчета процесса абсорбционной осушки газа в многофункциональном аппарате, эксплуатируемом в составе УКПГ.

Научная новизна

1. Усовершенствованна математическая модель расчета абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

2. Разработана компьютерная программа "Моделирование Процесса Абсорбции" (МПА), учитывающая изменение параметров входящего потока и, позволяющая оптимизировать процесс абсорбционной осушки газа и рассчитывать конструкцию элементов многофункционального аппарата с учетом изменения параметров газа в процессе разработки месторождения.

3. Впервые с использованием программы Fluent и применением моделируемой конструкции, рассчитанной в программе МПА, показано движение газожидкостного потока (добываемого флюида) в сепарационной секции аппарата и в сепарационном массообменном элементе. Показано динамическое распределение фаз, что позволяет моделировать более эффективные конструкции и технологию процесса с учетом состава и гидродинамики потока.

4. Выполнено моделирование предложенной модернизации сепарационной секции аппарата осушки газа.

Основные защищаемые положения:

1. Математическая модель модернизации абсорбционно-сепарационного аппарата, позволяющая проводить расчет геометрических размеров и гидравлических потерь.

2. Обоснование результатов моделирования поведения газожидкостной смеси в сепарационной секции и сепарационном элементе.

3. Предложения по модернизации многофункционального аппарата, состоящие в использовании дополнительных завихрителей потока на входе в аппарат.

Практическая значимость работы:

Разработана компьютерная программа, основанная на математической моделе расчета абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

Разработанная программа «МПА» позволяет проводить расчет технологического режима, гидравлических сопротивлений и конструкции абсорбционно-сепарационного аппарата и его элементов в период изменения термобарических условий сбора и подготовки газа на промыслах с целью оптимизации процесса.

Получены новые визуализированные данные моделирования движения газожидкостного потока в сепарационном элементе и сепарационной секции, состоящие в определении структуры и гидродинамики газожидкостного потока в зависимоси от его состава, которые могут быть использованы для оптимизации процесса абсорбционно-сепарационной осушки газа.

Предложены рекомендации по модернизации существующих абсорбционно-сепарационных аппаратов осушки газа. В их число входит изменение структуры и состава входящего в аппарат потока газа, усовершенствование входной сепарационной секции, путем установки дополнительных завихрителей.

Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. На научно-технических семинарах кафедры Разработки и Эксплуатации Газовых и Газо-Конденсатных Месторождений РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2004, 2005 г.

2. На презентации программы Fluent в России. 2006 г.

3. Апробация разработанной программы «МПА» проведена в научно-техническом центре ОАО «Надымгазпром». 2006 г.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, включая 105 рисунков и 9 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений", Копытцев, Владимир Александрович

2.5. Выводы

В период падающей добычи, по истечении долгого периода разработки разрушается призабойная зона скважины, что вызывает увеличение содержания механических примесей в газе. Также падение давления способствует увеличению влагосодержания газа. Эти две основные проблемы вызывают неустойчивую работу абсорбционно-сепарационного аппарата (МФА)

Жидкость и механические примеси попадают в сепарационную секцию, и далее газ, очищаясь от механических примесей и, проходя через сепарационные элементы, идёт в массообменную секцию. На промежутке «вход газа»-«верхняя массообменная тарелка» возникает ряд серьезных проблем в работе аппарата.

Модернизация промыслового оборудования в настоящее время, в основном, направлена на оптимизацию массообменной секции. В массообменных секциях производят замену массообменных тарелок на массообменные насадки, чем увеличивают производительность секции и степень осушки за счет изменения гидравлического режима работы насадки и увеличения поверхности контакта.

В то же самое время, одной из важных проблем является поведение газожидкостного потока в сепарационной секции и сепарационных элементах, расположенных после неё.

В диссертационной работе изучены зависимости, влияющие на производительность и степень осушки газа. Составлена математическая модель и компьютерная программа, позволяющая путем варьирования параметрами подбирать оптимальные зависимости для устойчивой работы аппарата путем изменения конструктивных данных узлов и элементов либо физических параметров. Программа осуществляет расчет в стационарных условиях, и поэтому не учитывает изменение параметров в динамике.

Для более точного исследования поставлена задача смоделировать работу отдельных элементов, для чего была выбрана газогидромоделирующая программа Fluent. Дальнейшее изучение проблем будет разобрано далее в диссертационной работе.

3. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИИ И СЕПАРАЦИИ В АБСОРБЦИОННО-СЕПАРАЦИОННОЙ КОЛОННЕ.

Для своевременного и точного регулирования параметров работы абсорбционно-сепарационного аппарата необходимо создать модель, описывающую данный процесс.

В настоящем разделе представлены материалы математического расчета процессов абсорбции и сепарации при промысловой переработке сырого природного газа с целью оптимизации данных процессов.

Расчет представляет собой последовательность действий для решения задач по оптимальной эксплуатации абсорбционно-сепарационного аппарата в промышленных условиях, а также для расчета его геометрических размеров, гидравлических сопротивлений, параметров работы системы осушки газа.

Для проведения расчета за основу взяты данные ГП-1, Ямбургского ГКМ, которые представлены в таблице 3.1.

При расчетах приняты следующие обозначения: Р-давление смеси, МПа; t- температура смеси, °С; у г молярная доля i-ro компонента; i- индекс компонента; z- коэффициент сжимаемости смеси; /^-плотность смеси, кг/м3;

-динамический коэффициент вязкости, мПа*с; М- средняя молекулярная масса смеси, кг/кмоль.

Данные для расчёта.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Копытцев, Владимир Александрович, Москва

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ АППАРАТА, УЗЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ

2. Разработка компьютерной программы и расчет процессов абсорбции и сепарации в абсорбционно-сепарационном аппаратеосушки газа.

3. Для расчета использовалась, разработанная нами программа «Моделирование Процесса Абсорбции «МПА», на которую получен патент РФ №2005611076 от 4 мая 2005 года и которая опробована в научно-техническом центре «Надымгазпром».

4. Программа состоит из следующих данных для расчета и 18 расчетныхформ:1. Данные для программы МПА:

5. Расчёт количества ДЭГа (ТЭГа)

6. Определение числа теоретических тарелок

7. Расчёт массообменной секции

8. Расчёт предварительного диаметра аппарата

9. Определение размеров переливного устройства

10. Определение расчетного диаметра аппарата

11. Расчёт выходной сепарационной секции

12. Расчёт входной сепарационной секции (вертикальная кольцевая сетчатая насадка)91 Расчет глухой тарелки

13. Гидравлическое сопротивление глухой тарелки

14. Расчет гидравлического сопротивления контактных тарелок

15. Проверка расстояния между контактными тарелками

16. Расчет переливного устройства13. Расчёт диаметров штуцеров

17. Проверка высоты кубовой части аппарата

18. Исходные данные для расчета: