Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Повышение экологической безопасности применения турбинного масла, контактирующего с сероводородсодержащим природным газом

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Гильмутдинов, Шамиль Камилович, Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА

УДК 665.765.-404.035.5

Гильмутдинов Шамиль Камилович

Повышение экологической безопасности применения турбинного масла, контактирующего с сероводородсодержащим природным газом

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов.

Специальность 05.17.07 - Химическая технология топлива

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., * профессор Спиркин В. Г.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ В КОМПРЕССОРАХ, ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ.............................................................7

1.1. Химический состав и токсичность серосодержащих природных и попутных газов...................................................................................................................................................8

1.2. Особенности эксплуатации компрессоров, перекачивающих природный газ. .11

1.3. Анализ условий работы системы смазки центробежных компрессоров.............13

1.4. Состояние проблемы и пути повышения экологической безопасности и безотказности эксплуатации компрессоров.....................*......................................................17

1.5. Методы улучшения смазочных и экологических свойств масел, работающих в контакте с сероводородсодержащим природным газом........................................................18

1.6. Цели и задачи исследований........................................................................................21

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ТУРБИННЫХ МАСЕЛ, НАСЫЩЕННЫХ СЕРОВОДОРОДОМ......23

2.1. Выбор образцов масел и присадок..............................................................................23

2.2. Методы исследования физико-химических свойств турбинных масел...............31

2.3. Метод количественного определения сероводорода в турбинных маслах.........32

2.4 Метод исследования структуры поверхностей трения............................................33

2.5 Метод анализа состава продуктов износа...................................................................33

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ СМАЗОЧНЫХ СВОЙСТВ МАСЕЛ В ПРИСУТСТВИИ СЕРОВОДОРОДА.........................5

3.1. Анализ существующих методов оценки смазочных свойств масел........................5

3.2. Разработка и методологическое обоснование конструктивной схемы машины трения МТ-2.....................................................................................................................................5

3.3. Модификация прибора МТ-2 и методики экологически безопасного испытания масел в присутствии сероводорода..............................................................................................5

3.3.1. Конструкция герметичной камеры узла трения.............................................................................5

3.3.2. Методика насыщения испытуемого масла сероводородом...........................................................5

3.4. Методика проведения экологически безопасных испытаний масел.....................5

3.5. Лабораторные испытания прибора и метрологическая оценка метода...............5

3.5.1. Чистые масла типа Т-22.......................................................................................................................5

3.5.2. Масла с присадками..............................................................................................................................5

3.5.3. Испытания масел в присутствии сероводорода, электролита.....................................................5

3.5.4 Метрологическая оценка метода.........................................................................................................5

3.5.5 Экологическая оценка метода...........................................................................................................5

3.6. Анализусловий работы смазочного масла в компрессорах и условий испытания в машине трения МТ-2М в присутствии сероводорода...........................64

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ СМАЗОЧНЫХ СВОЙСТВ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУРБИННЫХ МАСЕЛ В КОНТАКТЕ С СЕРОВОДОРОДОМ...........5

4.1. Влияние сероводорода, электролита на смазочные свойства масла......................5

4.2. Влияние присадок на смазочные свойства масла в контакте с сероводородом. .5

4.3. Влияние ингибиторов на смазочные свойства масла в контакте с сероводородом..................................................................................................................................5

4.4. Выбор оптимальной композиции присадок................................................................5

4.5. Исследование влияния сероводорода и присадок на структуру поверхностей трения при испытании турбинных масел на машине трения...............................................5

4.6. Анализ особенностей процессов коррозионно-механического износа металла в масле в присутствии сероводорода..............................................................................................5

4.7. Рекомендации по повышению экологической безопасности испытаний и применения турбинных масел......................................................................................................5

Выводы......................................................................................................................................5

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ

Природный и попутный газы Астраханского газоконденсатного месторождения с прилегающей территорией Северного Прикаспия, Оренбурского газоконденсатного месторождения, Уренгойского, Лмбурского, Штокмановского, Карачаганака, Тенгиза и некоторых других, содержит до 2-25 процентов сероводорода.

При работе дожимных компрессоров типа ГПА-Ц-6,3 и других в смазочно-уплотнительной системе применяется турбинное масло Тп-22с, контактирующее с сероводородом и абсорбирующее его. Экологические, физико-химические и эксплуатационные свойства турбинного масла, насыщенного сероводородом, резко ухудшаются. По достижении концентрации сероводорода 0,1 % мае. масло должно сливаться из компрессора и заменяться свежим. Отработанное масло с сероводородом не может быть регенерировано или утилизировано известными методами из-за большой экологической опасности.

Новый подход к комплексной системе мероприятий, предусматривающих охрану окружающей среды, безопасность работы, минимизацию техногенного воздействия на среду обитания за счет использования безотходных и безвредных технологий, реализацию жесткого контроля за выбросами вредных веществ, оздоровительных мероприятий отражен в «Экологической политике РАО «Газпром», утвержденной Постановлением Правления РАО 14 апреля 1995г.

Проводимые в отрасли с 1995 года модернизация и реконструкция газопроводов, установок и перекачивающего оборудования, позволили снизить техногенную нагрузку на воздушный бассейн, особенно на высокосернистых месторождениях природного газа. Наряду с этим, сероводород содержащийся в природном газе, обладая высокой коррозионной

активностью, является наиболее экологически опасным для персонала веществом (экотоксикантом), ухудшающим также эксплуатационные и экологические свойства турбинных масел.

Актуальность работы объясняется тем, что в связи с жесткими экологическими требованиями, возникает острая, на сегодняшний день нерешенная проблема с регенирацией или утилизацией турбинного масла, насыщенного сероводородом.

Однако существующие машины трения не позволяют исследовать триботехнические свойства масел, содержащих сероводород, по экологическим причинам (из-за возможности отравления персонала, больших выбросов сероводорода в атмосферу, высокой токсичности сероводорода и пр.)

Основная цель работы:

Разработка экологически безопасного метода триботехнических испытаний масла в присутствии сероводорода и исследование возможности улучшения смазочных свойств турбинных масел и повышения экологической безопасности при перекачке природного газа.

Для достижения этой цели в данной работе решались следующие основные задачи:

1. Разработка прибора и конструкции герметичной камеры, позволяющей проводить экологически безопасные триботехнические испытания смазочных жидкостей в контакте с коррозионно-активными средами.

2. Отработка экологически безопасного метода испытаний на маслах различного назначения с различными композициями присадок.

3. Оценка влияния коррозионно-акгавных примесей на нефтяные смазочные масла, используемые в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) и нахождение оптимальных композиций присадок.

4. Улучшение эксплуатационных и экологических свойств смазочных масел путем введения оптимальных композиций присадок.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ В КОМПРЕССОРАХ, ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ.

(Литературный обзор).

В последнее время Россия, как и другие страны СНГ, переживает, наряду с глубоким экономическим кризисом, экологический кризис. В условиях инфляции сокращаются инвестиции на строительство новых очистных сооружений, оборудования для охраны труда работающих на предприятиях в различных отраслях промышленности. Особенно это характерно для предприятий нефтегазодобывающей и перерабатывающей отраслей.

Техногенное воздействие на окружающую среду, увеличение количества вредных выбросов токсичных нефтепродуктов, газа и других веществ в атмосферу и водные бассейны приводит к ухудшению экологической обстановки, загрязнению окружающей среды, повышению заболеваемости, смертности и, следовательно, к снижению качества жизни населения.

Отсутствие или неисправность защитного и очистного оборудования приводят к повышенному производственному травматизму, профессиональной заболеваемости и сокращению продолжительности жизни населения страны. Все это говорит об актуальности вопросов экологии, безопасности производств и охраны окружающей среда в современных условиях.

Использование газоперекачивающих агрегатов (1 IIA) в системах транспорта высокосернистого газа сделали необходимой разработку смазочных масел, обладающих хорошим уровнем эксплуатационных свойств и достаточно высокой степенью экологической безопасности при работе в контакте с коррозионно-агрессивными средами. Задачей данной главы является обобщение литературных данных по этой теме.

1.1. Химический состав и токсичность серосодержащих природных и попутных газов.

Добыча природного и попутного газов в мире, в том числе в России и странах СНГ, достигла больших объемов и продолжает возрастать. Это связано с открытием ряда новых месторождений, а также переходом к эксплуатации глубокозалегающих залежей газа в Российской Федерации, Казахстане, Туркменистане и др., где наблюдается тенденция увеличения доли высокосернистого газа в общей его добыче. 121.

Добыча высокосернистого природного газа была начата в 1951 году во Франции /25 / с открытием крупного месторождения Лак с концентрацией сероводорода в газе 16 % об. / 2, 3 /. Позднее были открыты месторождения в Западной Канаде (до 50 % об) / 2, 3 /, а также месторождения в Мексиканском заливе, концентрация сероводорода в газе которых достигала 80-95 % об.

В России эксплуатация месторождений сернистого природного и попутного газа ведется в Оренбургской, Астраханской и Тюменской областях, а также на юге Башкирии. Особенно уникально месторождение Прикаспийской впадины, в газе которого содержится до 29 % об. сероводорода и около 28 % об. углекислого газа. В газе многих месторождений, кроме сероводорода, содержатся меркаптаны, полисульфиды, сероокись углерода, а также другие сероорганические соединения и элементарная сера. Однако сероводород по своей химической агрессивности превосходит остальные серосодержащие примеси / 3,44 /.

Сероводород способен образовывать клатратные соединения. Равновесная температура образования гидратов типа НгБ' 6Н2О при 2 МПа составляет около 30 °С. Концентрация сероводорода в гидратах Оренбургского месторождения в 10-30 раз выше, чем в газовой фазе, что может при определенных условиях привести к резкому увеличению его концентрации и в газе / 13 /.

Содержание сероводорода в природном газе газоконденсатных месторождений, как правило, возрастает с увеличением глубины залегания / 3, 13 /. Большинство залежей высокосернистого природного газа встречается на глубине, превышающей 2,5-3,5 км, где значительная часть разреза представлена карбонатными и сульфонатными породами. Концентрация меркаптанов в сернистом природном газе падает с увеличением концентрации Нг8, а концентрация элементарной серы, в большинстве случаев, не превышает 10% от концентрации сероводорода / 2,3,13 /. Концентрация полисульфидов, сероокиси углерода, как правило, значительно ниже. С ростом температуры и давления газоносного пласта соотношение сероводород/сернистые примеси обычно снижается / 3 /.

В пределах одной залежи, а также с изменением отбора, концентрация сероводорода может существенно изменяться. Так, на Оренбургском месторождении концентрация сероводорода в западной части пласта составляет 1,3 % об., а в восточной части пласта достигает 4,7 % об. / 2, 3,44 /.

В таблице 1 приведены данные о химическом составе высокосернистых газов ряда отечественных и зарубежных месторождений.

Таблица 1.

Компонентный состав сернистых природных и попутных газов крупнейших

месторождений мира.

Месторождение, страна Состав газа, % об.

СН4 >с2 N2 С02 Н28

Природный газ

Кандым (СНГ) 89,9 2,3 • 1,11 2,88 3,37

Уртабулак (СНГ) 87,2 2,59 1,11 3,6 5,5

Исимовское (СНГ) 83,1 3,1 3,2 3,0 7,6

Астраханское (СНГ) 39,4 10,5 1,7 26,5 21,5

Оренбургское (СНГ) 84,2 9Д 4,8 - 1,3

Саратовское (СНГ) 87,6 2Д 2,2 2,6 5,2

Варнхорн (ФРГ) 64,9 0,002 5,3 7,3 22,4

Седенбург (ФРГ) 80,8 0,2 3,7 8,7 14,3

Блек-Крик (США) 1,5 - 0,3 20,2 78,0

Саут-Стейн-Лайн (США) 62,0 1,0 1,0 10,0 20,0

Лак (Франция) 69,6 4,3 0,5 9,6 16,0

Хьюит (Англия) 83,19 8,31 0,02 0,08 8,4

Симостт (Канада) 48,84 26,26 1,9 3,44 19,57

Джибисса (Сирия) 64,19 8,8 2,21 19,4 5,6

Попутный газ

Аль-Гол (Сирия) 61,83 24,33 1,74 2,97 7,26

Деро (Сирия) 19,69 61,46 5,77 4,84 10,1

Дай Хунт (Вьетнам) 74,7 16,88 0,42 4,9 5,7

1.2. Особенности эксплуатации компрессоров, перекачивающих природный газ.

В настоящее время для перекачки природного газа наибольшее распространение получили ГПА двух типов: центробежного и поршневого, при этом удельная доля центробежных компрессоров непрерывно возрастает / 48 /, как в России, так и за рубежом. Распространению ГПА центробежного типа способствовал тот факт, что, начиная с 1960 г., в качестве привода центробежных компрессоров используются авиационные газотурбинные двигатели различных типов, зарекомендовавшие себя как надежные наземные машины, долговечные и простые в эксплуатации и ремонте, малогабаритные при высокой мощности, имеющие ряд конструктивных и эксплуатационных преимуществ / 37,43 /.

ГПА центробежного типа наибольшее распространение получили на американском континенте, что связано с большим объемом строительства новых газопроводов в суровых климатических условиях. Однако в последнее время и в Европе авиапривод / 11 / все чаще используется для создания промышленных газотурбинных установок / 40 /.

В Российской Федерации авиапривод используется в ГПА-Ц-6,3 различных модификаций, которые выпускает Сумское АО "СМПО им. Фрунзе" /16,40 /.

Проблема создания новых ГПА второго и третьего поколений связана с высокими требованиями, предъявляемыми к современным ГПА центробежного типа, а именно: высокой экономичностью и надежностью работы, полной герметичностью нагнетателя, ресурсом свыше 100 000 часов и т.д.

Компрессоры первого поколения в основном выполнены консольно, т. е. нагнетатель имеет только одно лабиринтное или щелевое масляное уплотнение с плавающими кольцами, что значительно упрощает их герметизацию, но не обеспечивает достаточной степени сжатия.

ГПА-Ц-6,3 относится к двухступенчатым компрессорам второго поколения и обеспечивает полную степень повышения давления (до 1,6), а также отличается улучшенными технико-экономическими показателями / 48 /. К компрессорам третьего поколения относится модель 75-8Р21 фирмы Дрессер-Кларк с возможностью установки от одной до трех ступеней повышения давления / 16, 61 /.

Одним из путей повышения надежности, экономичности и работоспособности, а также межремонтного периода ГПА этого типа является применение соответствующих смазочных материалов с высокими эксплуатационными свойствами, предохраняющими детали компрессора от повышенного износа и коррозии, а также конструктивными усовершенствованиями и повышением эффективности работы смазочно-уплотнительной системы нагнетателя, дегазатора. /17 /

Из наиболее часто применяемых систем уплотнений известны радиально-щелевые или масляные торцевые, в конструкции которых используются пружинные герметизирующие элементы и уплотнительные агенты (масло), а в последние годы получили также распространение уплотнения с использованием очищенного "буферного" газа в компрессорах, перекачивающих газ с высоким содержанием агрессивных примесей.

Кроме центробежных в газовой промышленности многих стран используют поршневые компрессоры (ПГПА), основным преимуществом которых являются высокая экономичность, надежность и большой ресурс при значительной единичной мощности (до 10 МВт и более) /16/.

Согласно требованиям технической эксплуатации, ПГПА должны иметь межремонтный срок службы не мен