Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование технологии низкотемпературной очистки и осушки нефтяного попутного газа

ВАК РФ 25.00.17, Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование технологии низкотемпературной очистки и осушки нефтяного попутного газа"

На правах рукописи

РЯБОВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОЧИСТКИ И ОСУШКИ НЕФТЯНОГО ПОПУТНОГО ГАЗА

Специальность 25 00 17 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0030В5384

Тюмень - 2007

003065384

Работа выполнена в научно-исследовательском и проектном институте технологий строительства скважин (НИПИ ТСС) при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ) Федерального агентства по образованию

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Овчинников Василий Павлович, ТюмГНГУ

Официальные оппоненты: - доктор геолого-минералогических наук

Лапердин Алексей Николаевич, ООО «ТюменНИИгипрогаз» - кандидат технических наук, доцент Леонтьев Сергей Александрович, кафедра «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений» ТюмГНГУ

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Сибирский

научно-исследовательский институт нефтяной промышленности» (ОАО «СибНИИНП»)

Защита состоится 5 октября 2007 года в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 273 01 при ТюмГНГУ по адресу 625039, г Тюмень, ул 50 лет Октября, 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ по адресу 625039, г Тюмень, ул Мельникайте, 72, каб 32

Автореферат разослан 5 сентября 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.П. Овчинников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время в России осваивается более 1200 нефтяных, нефтегазовых и нефтеконденсатных месторождений При их разработке в скважинной продукции зачастую содержится попутный газ, который сжигают на промыслах Годовые потери этого ценного сырья и энергоносителя по стране составляют около 15 млрд кубометров Сжигание его на факелах приводит не только к невосполнимым потерям углеводородов, но и наносит экологический ущерб окружающей среде

Известны пути утилизации нефтяного газа - это подача его в магистральный газопровод либо использования в качестве горючего в газотурбинных и газопоршневых электростанциях Для этого требуется, как правило, компрессия низконапорного нефтяного газа, его очистка и осушка до действующих нормативов с применением оборудования и соответствующих технологических схем, которые позволяют извлечь пары воды и высококипящие углеводородные компоненты

Технологические аппараты и схемы осушки, очистки и разделения углеводородных газов, основанные на процессах абсорбции, адсорбции и низкотемпературной конденсации с применением холодильных машин, требуют значительных энергоматериальных и эксплутационных затрат Это делает их нерентабельными в промысловых условиях, особенно на малых месторождениях Продиктованное экономической целесообразностью ограничение перепада давления попутного газа, создаваемого с помощью компрессии, практически исключает возможность реализации традиционной схемы низкотемпературной сепарации, основанной на эффекте Джоуля-Томсона Турбодетандеры весьма сложны и дороги в эксплуатации при малорасходных потоках

Более экономичными являются низкотемпературные процессы, основанные на расширительных газодинамических аппаратах, в которых потенциальная энергия давления высоконапорного газа преобразуется либо в звуковые и сверхзвуковые течения (газодинамические осушители, вихревые сепараторы,

трубы Леонтьева, сверхзвуковые сепараторы Twister и 3-S), либо в пульсации с определенной частотой и амплитудой (пульсационные охладители газа, волновые детандеры) В них наряду с генерацией холода создаются термодинамические условия (в частности, низкая статическая температура высокоскоростного потока), обеспечивающие конденсацию компонентов, которые в жидком состоянии могут быть выведены из газа за пределы устройства

В ряду газодинамических аппаратов особое место занимают вихревые трубы (ВТ), в которых одновременно реализуются и температурные и фазовые эффекты Если другие газодинамические расширители в части реализации еще не вышли за рамки опытно-промышленных испытаний или единичного внедрения, то ВТ постепенно заполняют свою технологическую нишу Их эффективность и надежность в работе убедительно подтверждается многолетней эксплуатацией на ряде предприятий газовой, нефтедобывающей и химической отраслей промышленности

По температурной эффективности ВТ занимают промежуточное положение между дросселем и детандером Наряду с генерацией холода, они, в своей трехпоточной модификации, обеспечивают одновременно конденсацию и отделение жидкости из закрученного потока Однако в теоретическом и эмпирическом аспектах трехпоточная вихревая труба (ТВТ) еще недостаточно изучена, что вызывает определенные затруднения при проектировании обустройства нефтяных месторождений с ее применением Кроме того, даже более высокая температурная эффективность ВТ по сравнению с дросселем не всегда может обеспечить необходимые параметры подготавливаемого газа, если технологическая схема вихревой установки (ВУ) несовершенна в части рекуперации холода всех технологических потоков, а также не учитывает возможность использования охлаждающего потенциала других (внешних) технологических источников промысла Цель работы

Повышение эффективности подготовки попутного нефтяного газа к транспорту в магистральные трубопроводы с применением вихревых труб Ранка-Хилша

Основные задачи исследований

1 Разработка методики расчета эффективности процесса конденсации компонентов в вихревой трубе

2 Экспериментальные исследования термодинамических и сепарационных характеристик высокопроизводительной ТВТ

3 Разработка оптимальной конструкции сепарационного узла ТВТ при работе на нефтяном и природном газе

4 Исследование вариантов технологических схем подготовки нефтяного газа с вихревыми трубами двухпоточной и трехпоточной модификации, в том числе схем с внутренним холодильным циклом Разработка технологической схемы с ТВТ установки подготовки попутного нефтяного газа (УПГ) и получения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) Загорского и Лебяжинского нефтяных месторождений

5 Анализ результатов эксплуатации реализованной УПГ с применением трехпоточных вихревых труб в рекуперационной схеме с внутренним холодильным циклом и с использованием внешних источников дополнительного холода

Научная новизна выполненной работы

1 Установлено наличие сверхзвукового течения в ВТ с числом Маха до М= 1,75

2 Установлено преимущество конусно-цилиндрической сепарационной насадки по сравнению со щелевой при работе ТВТ на углеводородном газе, содержащем большое количество конденсирующихся компонентов

3 Научно обоснованы технологические схемы очистки и осушки углеводородных смесей с применением двухпоточных и трехпоточных вихревых труб, в том числе с внутренним холодильным циклом и с использованием внешних источников дополнительного холода

4 Проанализированы результаты эксплуатации первой в мировой практике системы очистки и осушки низконапорного нефтяного газа с применением компрессии и трехпоточных вихревых труб в технологической схеме с внутренним холодильным циклом и с использованием холода внешних технологических источников

Практическая ценность и реализация

1 Разработана и реализована на установке комплексной подготовки нефти и газа ДНС «Загорская» ООО «Терминал» низкотемпературная технология подготовки низконапорного попутного газа на базе компремирования и трехпоточных вихревых труб, позволившая обеспечить необходимую точку росы попутного газа по воде и углеводородам перед подачей его в магистральный газопровод Оренбург-Самара При этом получаемые сжиженные углеводороды (СУГ) реализуются в качестве сырьевого продукта — ШФЛУ

2 По результатам внедрения предложенной технологии подготовки попутного газа получен годовой экономический эффект (2006-2007 гг ) в сумме 199 010 тыс рублей

3 Выданы рекомендации по разработке системы утилизации попутного газа нефтедобычи с применением вихревой технологии для Капитановского месторождения предприятия ОАО «Южуралнефтегаз», вводимой в эксплуатацию в 2007 году

4 Выдано техническое предложение на разработку двух технологических линий установки подготовки попутного нефтяного газа для месторождения «Кожасай» (Республика Казахстан) с применением сепарирующих и холодообразующих ТВТ

Апробация результатов исследований

Основные положения работы были доложены на научно-техническом совете Рыбинской государственной авиационной технологической академии (Рыбинск, 2006 г ), научно-техническом совете предприятия ООО «Терминал» (Оренбург, 2006 г ), заседаниях кафедр «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений» и «Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений» ТюмГНГУ (Тюмень, 2006-2007 гт )

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей и получено положительное решение госпатента РФ по одной заявке на изобретение

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных

выводов и рекомендаций, списка использованных источников (88 наименований) и приложение на 18 страницах Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 56 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дается обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования, их научная новизна и практическая значимость

В первом разделе проанализирована работа вихревых труб, в основном трехпоточных, и других газодинамических аппаратов, по механизму функционирования наиболее близких к ТВТ, в том числе вихревых сепараторов (ВС), газодинамических осушителей (ГДО), сверхзвуковых сепараторов Twister и 3-S (supersonic separation)

Конструктивно ВС и ГДО идентичны В них природный газ закручивается до околозвуковых скоростей в завихрителе, расположенном в головной части аппаратов В струе газа происходит конденсация углеводородов и коагуляция влаги Центробежные силы отбрасывают капли жидкости на внутреннюю цилиндрическую стенку, откуда жидкость вместе с газом отдувки отводится через сепарационные щели Несмотря на обнадеживающие результаты испытаний, сведения о промышленном использовании ВС и ГДО отсутствуют

В аппарате Twister сепарация сверхзвукового потока осуществляется с помощью закрутки газа на «сверхзвуковой лопасти» При этом отбор газожидкостной фракции с внутренней стенки аппарата обеспечивается либо с помощью сепарационного зазора, либо посредством щелей в сепарационной трубе В идентичном сепараторе 3-S завихрение потока, как и в ВС, создается с помощью завихряющего устройства в напорной камере перед соплом Ловаля, принцип отбора жидкости аналогичен аппарату Twister На сегодня в России метод сверхзвуковой сепарации опробован только в опытном и опытно-промышленном масштабе

Все эти устройства, несмотря на определенные различия, объединяет наличие механизма конденсации компонентов газовой смеси в высокоскоростном

потоке, имеющем низкую статическую температуру При этом газ в них разгоняется от околозвуковых до сверхзвуковых скоростей Конструктивно газодинамические аппараты также похожи Они имеют критические сечения, камеры фазовых переходов и энтальпийного (для ВТ) разделения, узлы сепарации и выводы разделенных потоков Но если в ВТ превалирующее значение имеет тангенциальный ввод и первоначальная закрутка газа, обеспечивающая энтальпийное разделение газа, то в основу конструкции других газодинамических аппаратов положено сопло Ловаля и конфузор для частичного восстановления давления газа. Закрутка потока в этих аппаратах играет вспомогательную роль, позволяющая только отделить дисперсную жидкость в поле центробежных сил Процесс энтальпийного разделения потоков в этих аппаратах отсутствует В этом заключается основное отличие и преимущество вихревых труб Ранка-Хилша от ВС, ГДО и сверхзвуковых сепараторов Twister и 3-S

Трехпоточные вихревые трубы, по конструктивным компонентам наиболее похожие на сепараторы 3-S, работают в промышленности и поэтому изучены в большей степени и в части генерации холода, и в части определения сепарационных характеристик Однако пока не найдена оптимальная конструкция сепарирующего узла ТВТ, позволяющая эффективно отделять жидкую фракцию, не оказывая при этом негативного влияния на вихревой эффект Остается невыясненным также вопрос о наличии сверхзвукового течения газа в вихревой трубе и отсутствует методика расчета процесса конденсации примесей в скоростном потоке ВТ

Во втором разделе представлена разработка методики расчета параметров конденсации компонентов в ВТ, основанная на оценке скорости истечения газа из сопла и расчете соответствующей статической температуры с использованием следующих показателей число Маха (М = и/а), скорость звука (а = д/кgR Т ),критическая скорость при M = 1 (и2 =а2=2к [к +1]~' R Т ),

кр В В в в

скорость газа при M > 1 (и = [2 к (к + Vf1 R Т ]0'5 М)

в в в в

Число Маха определялось из выражения

М2=2(Кв-1)-1[(Рв/Рст)(к*"1)/кВ -1], (1)

статическая температура при М = 1 из

тст=тЯкв+1>"'ь О

статическая температура при М > 1 из

Т =Т [2(к +1)-1] [1 + 0,5(к -1)] / [1 + 0,5(к -1) М2] (3)

ст в в в в

Статическое давление на выходе из сопла (Рст) находили из соотношения

Р =тг Р (4)

СТ СТ X

При этом статическую степень расширения (гсс*) определяли из имеющихся в литературе экспериментальных данных А В Мартынова и ВМ Бродянского, исходя из параметров работы исследуемой вихревой трубы Значения величины псг представлены в таблице 1 В выше представленных выражениях кв - показатель адиабаты, Рв, Рх, Тв - соответственно давления, температура в точках, указанных на рисунке 2 (на входе в ТВТ, выходе из ТВТ в потоке холодного газа), ц - доля холодного потока (ц.=Сх/ СЕ или р.=V*/ Ув), л - степень расширения (те = Рв/ Рх)

Таблица 1 - Зависимость 7ССТ от параметров работы вихревой трубы к и/х

к ст

и %

1* 2 3 4 5 6 8 10

1,0 1,00 1,50 1,90 2,20 2,45 2,60 2,84 3,00

0,8 1,00 1,45 1,80 2,15 2,40 2,53 2,75 2,90

0,5 1,00 1,35 1,75 2,00 2,20 2,30 2,45 2,58

0,3 1,00 1,30 1,70 1,90 2,10 2,20 2,33 2,45

0,2 1,00 1,27 1,67 1,85 2,05 2,15 2,27 2,39

Примечание * - теоретическое значение

Приведенные выше соотношения и данные таблицы 1 позволяют оценить термодинамические параметры высокоскоростного потока (Рст и Тст), что в свою очередь дает возможность по имеющемуся компонентному составу на входе в ВТ рассчитать фазовое равновесие компонентов и сопоставить расчетный компонентный состав газа с данными хромотографического анализа холодного потока ВТ

Расчет проводится методом последовательных приближений, находя величину М, соответствующую компонентному составу газа холодного потока

ВТ, полученному в непосредственном эксперименте Алгоритм расчета следующий

- имея исходные данные по режиму работы ВТ (Рв, Рх, Т„, состав газа на входе в ВТ), по таблице 1 находится значение параметра па и далее по соотношению (4) значение Рст, которое в дальнейших расчетах считается величиной постоянной,

- зная исходный состав газа, определяется показатель адиабаты кв,

- задается первоначальное значение числа Маха (М), и далее по соотношениям (2) или (3) рассчитывается статическая температура Тст,

- исходя из полученных Рст и Тст, а также состава исходного газа, в первом приближении рассчитывается фазовое равновесие компонентов с нахождением относительного количества и состава фаз,

- определяется наличие конденсата при заданных условиях и принятых допущениях Если конденсация компонентов отсутствует, задается меньшее значение величины Тст и вновь проводится расчет фазового равновесия,

- методом последовательных приближений находится величина Тст при которой начинается конденсация компонентов и далее по методу хорд находится значение Т„, при которой расчетный состав холодного потока ВТ наиболее близок к составу реального анализа,

- имея искомое значение Тст, из соотношения (3) находится число М

Результаты расчетов числа Маха для двухпоточной регулируемой вихревой

трубы (ДВТ) производительностью до V = 50 ООО нм3/ч и с внутренним диаметром Дгр = 143 мм представлены в таблице 2, а состав природного газа по потокам ДВТ в таблице 3, где (Зс — степень открытия соплового ввода ДВТ

Таблица 2 - Расчет числа Маха при работе ДВТ на природном газе

Расчетные точки Избыточное давление, МПа Температура, °С Отношение давлений Число Маха Степень выделения углеводородов ср, % мае

Р Рсг Т Тст я М

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Вход в сопло 4,40 - 18 - - - - 0,0

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Выход из диафрагмы 0,85 -32 4,7 0,0

Выход из сопла, вариант 1 1,8 -24 2,0 1,0 0,0

Выход из сопла, вариант 2 1,8 -39 2,0 1,2 0,0

Выход из сопла, вариант 3 1,8 -58 2,0 1,4 Свыше 0,0

Выход из сопла, вариант 4 - 1,8 - -70 2,0 1,6 0,12*

Примечание * - расчетный состав газовой фазы см таблицу 3, графа 4

Таблица 3 - Компонентный состав газа при работе ДВТ с ц = 0,3 и рс = 75 %

Компонент Концентрация, % об

Эксперимент Холодный поток (расчет)

Вход в сопло Холодный поток

1 2 3 4

Метан 98,335 98,370 98,36086

Этан 0,230 0,230 0,22969

Пропан 0,280 0,234 0,27626

Изобутан 0,050 0,035 0,04724

Н-бутан 0,060 0,055 0,05415

Изопентан 0,010 0,007 0,00701

Н-пентан 0,005 0,009 0,00279

Гексан 0,010 0,010 0,00164

Азот 1,010 1,040 1,01035

Диоксид углерода 0,010 0,010 0,01000

Как видно из таблицы 2, в режиме при М = 1,4 (вариант 3) зафиксировано начало конденсации компонентов При М = 1,6, когда Тст = (- 70) °С, получается такая же степень выделения компонентов природного газа, как и по данным хромотографического анализа

Для нерегулируемой ТВТ производительностью до V = 5 ООО нм3/ч природного газа и с внутренним диаметром Дф =147 мм результаты расчета величины М представлены в таблице 4, а в таблице 5 - состав газа

Из таблицы 4 видно, что по данным хромотографического анализа холодного потока число Маха расчетно может достигать величины М = 1,75

Таблица 4 - Расчет числа Маха при работе ТВТ на природном газе

Расчетная точка Избыточное давление, МПа Температура, °С Отношение давлений Число Маха Степень выделения углеводородов ср, % мае

Р Р 1 сс Т т Асг ■к Ясг М Ф

Вход в сопло 0,560 - 20 - - - - 0,0

Выход из диафрагмы 0,065 0 4,0 0,0

Выход из сопла, вариант 1 0,20 -16 1,85 1,00 0,0

Выход из сопла, вариант 2 0,20 -29 1,85 1,20 0,0

Выход из сопла, вариант 3 0,20 -55 1,85 1,57 Свыше 0,0

Выход из сопла, вариант 4 _ 0,20 _ -68 _ 1,85 1,75 1,95*

Примечание * - расчетный состав газовой фазы см таблицу 5, графа 5

Таблица 5 - Компонентный состав газа при работе ТВТ с ц = 0,2 фс = 100 %)

Компонент Концентрация, % об

Эксперимент Холодный поток (расчет)

Вход в сопло Холодный поток Горячий поток

1 2 3 4 5

Метан 91,900 93,500 92,000 92,41229

Этан 4,200 3,380 3,820 4,19963

Пропан 1,200 1,000 1,440 1,14352

Изобутан 0,290 0,212 0,292 0,22996

Н-бутан 0,500 0,330 0,476 0,33272

Изопентан 0,190 0,086 0,154 0,05803

Н-пентан 0,130 0,067 0,123 0,02450

Неуглеводородные компоненты 1,590 1,425 1,695 1,59920

Следует отметить, что в данной ТВТ зафиксирована очистка не только холодного потока (например, фп<шт= 52 % об), но в определенной степени и горячего потока

(фпент = 13 % об) В двухпоточных вихревых трубах при конденсации компонентов в сопле имеет место обогащение горячего потока

В третьем разделе описаны результаты экспериментов на установке с вы-

сокопроизводительной ТВТ (Д,р = 85,0 мм) в схеме без рекуперативного теплообменника, по сути являющейся газодинамическим вихревым осушителем газа Принципиальная схема промышленной установки подготовки природного газа к транспорту, включающая последовательно 1-ю ступень сепарации (дроссель Др1 и сепаратор С1), подогреватель газа (П1) и вторую ступень сепарации (дроссель Др2 и сепаратор С2) представлена на рисунке 1 ТВТ была смонтирована в параллель к дросселю Др2 Схема ее привязки, включая приборы КИПиА, показаны на рисунке 2

Подготовленный газ в магистральный газопровод

Природный газ из скважины [^Д

П1

С1

1 ДР2 1

ТВТ

С2

Конденсат

Рисунок 1 - Схема установки подготовки природного газа к транспорту с блоком трехпоточной вихревой трубой

В экспериментах было испытано два сепарационных узла Первый узел представлял собой цилиндрическую втулку с внутренним диаметром равным Др и с шестью продольными тангенциальными щелями длиной около 5,5Др и шириной 5 мм, равномерно расположенными навстречу закрученному потоку Второй узел имеет втулку длиной 7,0 Д^,, состоящую из цилиндрического и конического участков Последний образовывал с трубой горячего потока кольцевой зазор, куда попадал конденсат, отброшенный центробежными силами на периферию

Лучшие показатели и по температурной эффективности [ДТХ = (Тв — Тх)] и по сепарирующей способности показал второй вариант сепарационного узла,

Рисунок 2 — Схема блока с трехпоточной вихревой трубой В1, В2 - вентили, Р1, Р2, РЗ - регуляторы, V - расход, Р - давление, Т — температура, А - анализ, У - уровень

Таблица 6 - Режимы работы высокопроизводительной ТВТ

№ Рв (из), МПа Рх (из), МПа я Тв, °с Тх, °С Тг, °С ЛТх, °С ДТдр, °с °С V», тыс нм3/ч

1 10,8 5,3 2,0 61 28,0 42,0 33,0 22,1 10,9 20,7 -

2 11,3 5,4 2,1 48 15,0 25,0 33,0 25,6 7,4 20,7 -

3 11,3 5,6 2,0 48 15,0 19,0 33,0 24,5 8,5 20,7 -

4 10,8 5,4 2,0 54 23,0 44,0 31,0 22,7 8,3 18,6 0,60

5 10,8 5,4 2,0 52 22,0 35,0 30,0 23,0 7,0 18,6 0,46

6 9,7 5,5 1,8 54 28,5 46,0 25,5 17,9 7,6 21,2 0,57

7 10,0 5,7 1,7 44 18,5 38,5 25,5 19,3 6,2 21,2 0,69

8 9,9 5,5 1,9 59 26,5 40,5 32,5 18,0 14,5 21,2 -

9 9,9 5,5 1,9 60 28,0 42,0 32,0 17,9 14,1 21,2 -

характеристики работы которого приведены в таблице 6 В среднем из третьего потока ТВТ отбирали до 480 л/ч стабилизированного конденсата, что соответствует удельному количеству 23 см3/нм3 Это в три-пять раз больше показателей щелевой насадки

В таблице 7 представлены составы газа на входе и выходе (смешанный поток) из ТВТ Из этих данных видно, что имеет место очистка природного газа от высококипящих углеводородов Так, например, по пропану степень очистки составила фпр0п = 19 % об, по бутанам в среднем ф6уг = 33 % об, по гексану фгек = 40,7 % об

Таблица 7 — Компонентный состав природного газа при работе ТВТ

Компонент Концентрация, % об Степень выделения Ф,%

вход выход

Метан 82,131 83,782 -

Этан 9,769 9,270 5,1

Пропан 3,420 2,768 19,1

Изобутан 0,259 0,173 33,2

Н-бутан 0,746 0,503 32,6

Изопентан 0,177 0,183 -

Н-пентан 0,197 0,180 8,6

Гексан + высшие 0,091 0,054 40,7

Азот 0,211 0,147 -

Диоксид углерода 2,999 2,938 -

Плотность, кг/нм3 0,8895 0,8695 -

Для оценки скорости истечения газа в ТВТ был выполнен расчет по методике, изложенной в разделе 2, имея в виду исходный состав газа (таблица 7) для параметров режима № 4 (таблица 6), когда отношение давлений составляло п - 2,0 Расчет показал, что начало конденсации компонентов соответствует числу Маха М = 1,37, т е жидкая фаза образуется при сверхзвуковом истечении газа на выходе из сопла

В четвертом разделе обоснованы требования к качеству транспортируемого углеводородного газа Эти требования (точка росы по влаге и по углеводородам) диктуют уровень температур, который необходимо иметь в низкотемпературной схеме и это предопределяет структуру технологических схем

низкотемпературных установок с вихревыми трубами

Один из относительно простых вариантов технологической схемы подготовки нефтяного газа до необходимой кондиции представлен на рисунке 3 Этот вариант базируется на компремировании нефтяного газа с последующим его охлаждением и сепарацией образующейся жидкости При этом в качестве охладителя сжатого газа используется низконапорный газ, поступающий во всасывающую линию компрессора В этой схеме применяется неадиабатная ДВТ, которая может охлаждаться либо конденсатом, либо подготовленным газом Данная схема рекомендуется к применению, когда необходима компактная УПГ в контейнерном исполнении и есть возможность создать значительное отношение давлений (тс > 4), как, например, при подготовке нефтяного газа в качестве топлива для газопоршневых или газотурбинных электростанций

Рисунок 3 - Принципиальная схема установки подготовки нефтяного газа с неадиабатной вихревой трубой

Технологический процесс низкотемпературной подготовки нефтяного газа осуществляется следующим образом Очищенный от капельной жидкости и механических примесей нефтяной газ смешивается с газами выветривания из

сепаратора конденсата 7 и с температурой 12 °С и давлением 0,4 МПа отдает свой холод сжатому газу, нагреваясь при этом в охлаждающем теплообменнике 3 до температуры 28 °С, и затем сжимается в компрессоре 1 до давления 3,0 МПа, нагреваясь до температуры 146 °С После компрессора 1 сжатый газ охлаждается сначала в аппарате воздушного охлаждения 2 до температуры 35 °С, а затем в охлаждающем теплообменнике 3 до температуры 24 °С и в рекуперативном теплообменнике 4 до температуры минус 10 °С После чего охлажденный нефтяной газ подается в газовый сепаратор 5, где от него отделяется образовавшийся при охлаждении конденсат

После отделения конденсата практически подготовленный нефтяной газ направляют на расширение до давления 0,3 МПа в неадиабатную вихревую трубу 6А, где он разделяется на горячий и холодный потоки Холодный поток (85-90 % от исходного газа) с температурой до минус 40 °С направляется на рекуперацию в теплообменник 4, откуда выходит с температурой 9 °С и далее направляется в охлаждающую рубашку вихревой камеры ДВТ Здесь он нагревается до температуры 15 °С и после смешения с охлажденным горячим потоком направляется потребителю Газы выветривания из сепаратора 7 поступают на смешение с сырым газом

При распределении технологических потоков в варианте с вихревой трубой 6А конденсат из сепаратора 5 дросселируется до давления 0,4 МПа и после разделения газожидкостной смеси в сепараторе 7 направляется на переработку В варианте 6Б газожидкостная смесь после дросселя 8 сначала поступает в камеру охлаждения горячего потока неадиабатной ДВТ и затем в сепаратор 7 При этом, отдавая тепло горячего потока, ДВТ играет роль дегазатора конденсата

Для предотвращения гидратообразования в трубопроводы на входе в теплообменник 4 и вихревую трубу 6 подается метанол

Возможна реализация и более сложных схем УПГ на основе ДВТ, которые только генерируют холод, и ТВТ, которые наряду с генерацией холода обеспечивают низкотемпературную сепарацию компонентов При этом, в зависимости от конкретной технологической задачи, предлагаются схемы с одной

ТВТ (одновременные генерация холода и сепарация), с двумя ТВТ (одна в основном сепарирующая, другая в основном холодообразующая) и с ТВТ и ДВТ (ТВТ - в основном сепарирующая, а ДВТ - только холодообразующая)

Например, схема с одной ТВТ включает четыре ступени охлаждения и сепарации сжатого газа после ABO, в том числе охлаждение низконапорным газом, поступающим на «вход» компрессора и охлаждение за счет рекуперации холода газовых и жидкостных потоков Конечная, пятая, ступень охлаждения и сепарации нефтяного газа обеспечивается с помощью ТВТ

В таблице 8 представлены параметры пяти ступеней охлаждения сжатого газа после ABO, полученные путем расчета материально-теплового баланса схемы с одной ТВТ (летние условия работы)

Таблицу 8 - Параметры ступеней охлаждения нефтяного газа в схеме с одной ТВТ

№ Наименование ступеней охлаждения Давление, МПа Перепад температуры, °С Расход, юг/ч

1 Охлаждение исходным газом 7,000 11,28 14497,8 газ 6,2 жидкость

2 Первоначальное охлаждение конденсатом 6,998 2,39 14491,2 газ 12,8 жидкость

3 Охлаждение товарным газом 6,968 10,53 14146,7 газ 348,5 жидкость

4 Окончательное охлаждение конденсатом 6,968 3,30 13768,6 газ 386,1 жидкость

5 Охлаждение в ТВТ 6,968 - 5,250 7,34 12423,9 газ 1344,7 жидкость

Как видно из представленных данных, общее понижение температуры газа от выхода из ABO до выхода из ТВТ составляет 34,84 °С, причем основная доля охлаждения высоконапорного газа (21,81 °С) обеспечивается газовыми носителями Количество сжиженных углеводородов по отношению к сырому газу составляет 7,26 % масс

Компонентный состав газа в ключевых точках представлен в таблице 9 Расчетная точка росы по углеводородам товарного газа равна Тр = (- 3) °С Это даже несколько превышает требования ОСТ 51 40-93 для умеренного макроклиматического района в летний период эксплуатации

Таблица 9 - Расчетный состав фаз в схеме с одной ТВТ, мольн доли

Компонент Сырой газ Вход в ТВТ Товарный газ ШФЛУ

Азот 0,034 0,033 0,035 0

Метан 0,701 0,697 0,724 0,001

Диоксид углерода 0,015 0,015 0,015 0,001

Этан 0,152 0,160 0,154 0,095

Пропан 0,070 0,072 0,059 0,409

Изобутан 0,006 0,006 0,004 0,085

Н-бутан 0,014 0,012 0,007 0,220

Изопентан 0,002 0,001 0,001 0,048

Н-пентан 0,003 0,002 0,001 0,064

Гексан 0,001 0 0 0,032

Метанол 0 0 0 0,008

Вода 0,002 0 0 0,036

В пятом разделе описаны результаты, полученные при эксплуатации установки подготовки газа, реализованной на ДНС «Загорская»

Принципиальная схема установки подготовки нефтяного газа приведена на рисунке 4 В ней также реализован принцип рекуперации холода технологических потоков УПГ и использования холода внешних источников Причем охлаждение сжатого газа после ABO осуществляется не только сырым нефтяным газом, но и отсепарированной нефтью первой ступени сепарации Кроме того, ввиду относительно небольшого располагаемого перепада давления на ТВТ, часть компрессорной мощности в данной схеме используется для дополнительной генерации холода во второй вихревой трубе При этом организован внутренний холодильный цикл, где роль хладоагента играет сам попутный газ Конструкция сепарирующей ТВТ позволяет ее эксплуатировать как в трехпоточном, так, при необходимости, и в двухпоточном вариантах

Процесс подготовки нефтяного газа протекает следующим образом Сырой газ с первой ступени сепарации нефти, прошедший очистку от капельной жидкости и механических примесей в сепараторе ГС4 (здесь и в дальнейшем обозначения аппаратов приняты в соответствии с проектом), смешивается с газом рециркуляции, поступающим из ТВТ1 через теплообменник Т2 Этот смешанный поток проходит газосепаратор СВЦ, затем теплообменник Т5, где охлаждается сжатый газ, и смешивается с газами выветривания, поступающими из сепараторов

Сжиженные углеводороды (ШФЛУ)

О1

В емкость

К 2 О ABO

Сырой газ -tx*

^¡^ Жидкость в нефть^

Рисунок 4 - Принципиальная технологическая схема установки подготовки газа ДНС «Загорская» К - компрессор, ABO - аппарат воздушного охлаждения, Т1, 2,4, 5, 6 - теплообменники, ГС1,2,3,4, С501, СВЦ - газосепараторы, СК1, 2 - сепараторы конденсата, ТВТ - сепарирующая трехпоточная вихревая труба, ТВТ1 - холодообразующая трехпоточная вихревая труба, ЕД4 - емкость (на схеме не показана), УУСГ - узел учета сырого газа, УУТГ - узел учета товарного газа

конденсата СК1 и СК2 Далее низконапорный газ проходит концевой газовый сепаратор ГСЗ и в качестве исходного газа поступает в компрессор К, где дожимается до необходимого давления

После охлаждения сжатого газа в ABO, в теплообменниках Т4 и Т5, образуется газожидкостная смесь, которая разделяется в сепараторе С501 Отсепарированный газ проходит последовательно рекуперативные теплообменники Т1 и Т2 и, пройдя сепаратор ГС1, направляется на охлаждение и одновременную сепарацию в сепарирующую трехпоточную вихревую трубу ТВТ, где закручивается со сбросом давления до уровня давления транспортировки очищенного нефтяного газа После ТВТ отбензиненный и осушенный нефтяной газ проходит концевой газовый сепаратор ГС2 и после узла учета товарного газа поступает в магистральный газопровод Часть газа высокого давления после сепаратора ГС1 в виде циркуляционного газа поступает в охлаждающую (и сепарирующую) трехпоточную вихревую трубу ТВТ1, где расширяется до давления сырого газа, и проходит теплообменник Т2 На этом цикл замыкается

Конденсат, выделившийся в газовых сепараторах С501, ГС1 и ГС2, а также в третьих потоках ТВТ и ТВТ1, направляется по общему коллектору в сепаратор конденсата СК1, откуда жидкая фаза поступает в рекуперативный теплообменник «газ-конденсат» Т1 Далее, пройдя для дегазации подогревающий теплообменник Т6, жидкая фракция поступает в сепаратор конденсата СК2 и отсюда в виде ШФЛУ поступают на склад

Технологической схемой УПГ предусмотрен вариант, когда охлаждение сжатого газа в теплообменнике Т4 осуществляется не нефтью, а подготовленным газом после сепаратора ГС2 (пунктир на рисунке 4) Этот вариант применяется тогда, когда «холодоотдача» от очищенного газа становится выше, чем от охлаждающей нефти

Установка подготовки нефтяного газа в 2006 г была принята в эксплуатацию Она показала свою устойчивую работу и обеспечила очистку и осушку нефтяного газа в соответствии с требованиями ОСТ 51 40-93

Анализ работы трехпоточных вихревых труб в составе УПГ выявил, что эффект охлаждения холодного потока при р. = 1,0 превышает эффект

дросселирования (в среднем в 1,6 раза как по ТВТ1, так и по ТВТ) Это превышение наглядно демонстрирует рисунок 5, где приведены экспериментальные данные, полученные в процессе эксплуатации УПГ Эффект дросселирования определялся по соотношению

АТдр = адр(Рв-Рдр), (5)

где (Хдр = 4,5 °С/МПа (найден экспериментально на регуляторах УПГ)

__ понижение температуры холодного потока ДТ„ при ц = 1,0,

О охлаждающая ТВТ1,

■ сепарирующая ТВТ,

_понижение температуры газа

при дросселировании ДТдр

Рисунок 5 — Зависимость понижения температуры (АТ) от отношения давлений ж

Сравнение температурной эффективности вихревых труб при работе в двухпоточном режиме было проведено при РЕ = 1,8 МПа, п — 1,6 и р. = 0,3 Оказалось, что на этих параметрах ТВТ эффективнее ТВТ1 на 14 % При идентичности конструкций большую эффективность ТВТ можно объяснить ее большими геометрическими размерами по сравнению с ТВТ1

В таблице 10 приведены результаты анализа сырого и товарного газа на одном из режимов работы УПГ При этом температура холодного потока после ТВТ1 составляла минус 22 °С, точка росы по влаге - минус 4 °С, по углеводородам — плюс 2 °С

С апреля 2007 года УПГ установка начала работать с рекуперацией холода потока из ТВТ в теплообменнике Т4 Кроме того была реализована возможность подачи газа холодного потока ТВТ1, прошедшего теплообменник Т2,

Таблица 10 — Компонентный состав газа при работе УПГ

№ Компонент Концентрация газа, % об Степень извлечения компонентов, <р, %

сырой газ товарный газ

1 Метан 69,701 70,849 -

2 Этан 15,842 15,970 -

3 Пропан 6,354 6,113 3,79

4 Изобутан 0,836 0,675 19,22

5 Н-бутан 1,626 1,146 29,48

6 Изопентан 0,295 0,119 59,52

7 Н-пентан 0,253 0,088 65,32

8 Гексан + высшие 0,286 0,140 50,88

9 Диоксид углерода 1,455 1,461 -

10 Кислород 0,072 0,103 -

11 Азот 3,282 3,336 -

непосредственно в теплообменник Т5, не смешивая его с сырым газом до Т5 Основная цель такого режима - понизить температуру сжатого газа перед газосепаратором С501 для получения большего количества ШФЛУ Температура была понижена до минус 5 °С

Следует отметить, что без использования ТВТ1 как генератора холода (в этом случае производилось дросселирование газа на задвижке перед теплообменником Т2), несмотря на большее значение параметра я в этом режиме как на дросселе перед Т2, так и на ТВТ, более низкую температуру после ABO по сравнению с предыдущими режимами, не удалось выйти на отрицательную температуру сжатого газа перед сепаратором С501

Таким образом, экспериментально на промышленной установке подтверждено термодинамическое преимущество трехпоточной вихревой трубы при работе на режиме ¡i = 1,0 по сравнению с традиционным дроссель-вентилем

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 Разработана технология подготовки попутного нефтяного газа к транспорту и получения ШФЛУ на базе компремирования и применения трехпоточных вихревых труб в технологической схеме, использующей рекуперацию всех технологических потоков и холода внешних источников

2 Установлена работоспособность двух модификаций узла сепарации

трехпоточной вихревой трубы Более эффективной является конусно-цилиндрическая насадка

3 Разработана методика расчета процесса конденсации компонентов в вихревой трубе, позволяющая оценить ее эффективность как газодинамического устройства для подготовки нефтяного газа Установлено наличие сверхзвукового течения газа в вихревой трубе с числом Маха до 1,75

4 Разработаны технологические схемы очистки и осушки углеводородных смесей с применением двухпоточных и трехпоточных вихревых труб, которые рекомендованы к промышленному использованию

5 Экспериментально в промышленном масштабе и промышленным внедрением подтверждено термодинамическое преимущество трехпоточной вихревой трубы при работе на режиме jx = 1,0 по сравнению с дроссель-вентилем

6 Результаты исследований успешно реализованы при реконструкции установки подготовки нефтяного газа к транспорту на ДНС «Загорская» Годовая экономическая эффективность от их внедрения составила за период 2006-2007 гг 199010 тыс рублей

7 Проведен всесторонний анализ работы промышленной установки подготовки нефтяного газа на ДНС «Загорская» и выданы рекомендации к промышленному использованию разработанной технологии при промысловой подготовке нефтяного газа

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Жидков МА Трехпоточная вихревая труба - эффективное газодинамическое устройство для подготовки природного газа к транспорту / М А Жидков, А П Гусев, А П Рябов, С П Вшивцев, Н В Кошовец, Б Г Коляко, Е П Соболь, ГС Староконев//Нефтегазовые технологии -2006 -№11 -С 3-7

2 Гусев АП Подготовка нефтяного газа к транспорту с использованием трехпоточных вихревых труб / АП Гусев, АП Рябов, МА Жидков, В Г Исламкин, Г Ю Пахомова//Oil & Gas Journal -2007 -№1-2.-С 90-95

3 Рябов А П Трехпоточные вихревые трубы в нефтедобывающей и газовой промышленности (аналитический обзор) / А П Рябов, А П Гусев, М А Жидков, ДА Жидков//Нефтегазовые технологии -2007 -№2 - С 2-7

4 Жидков М А Сверхзвуковая сепарация углеводородных газов в вихревых трубах Ранка-Хилша / М А Жидков, А П Гусев, А П Рябов, В П Овчинников, ДА Жидков// Oil & Gas Journal -2007 -№3-4 -С 101-106

5 Рябов А П Технологические схемы промышленных вихревых установок подготовки попутного нефтяного газа к транспорту / А П Рябов, А П Гусев, В Г Исламкин, Е П Иванова, В Д Мельникова, Г Ю Пахомова, В Ю Беглинский, М А Жидков, В П Овчинников // Нефтегазовые технологии - 2007 - № 9 —

6 Гусев А П Способ промысловой подготовки нефтяного газа (варианты) / АП Гусев, АП Рябов, ПЯ Солдатов, В Г Исламкин, МА Жидков, ВП Новиков, Е П Иванова, Г Ю Пахомова, В Д Мельникова, Ю В Манохин, И Н Денисов, Б И Челпоченко, А Г Горовой (Россия) - Заявка на изобретение № 2007106763 от 26 02 2007 (положительное решение)

С 3-7

Соискатель

АП Рябов

Издательство «Вектор Бук» Лицензия ЛР № 066721 от 06 07 1999 г

Подписано в печать 01 08 2007г Печать RISO Бумага финская Формат 60x84/16 Усп печ л 1,40 Тираж 100 Заказ №271

Отпечатано с готового набора в типографии Издательства «Вектор Бук» Лицензия ПД № 17-0003 от 06 07 2000 г

625004, г Тюмень, ул Володарского, 45 Тел (3452)46-54-04,46-90-03

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Рябов, Александр Петрович

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОЦЕССЫ ТЕРМОРАЗДЕЛЕНИЯ В ГАЗАХ.

1.1. Механизм эффекта Ранка-Хилша, его основные характеристики.

1.2. Основные теории вихревого эффекта.

1.3. Низкотемпературное разделение углеводородных газовых смесей с использованием вихревых труб.

1.3.1. Технологические схемы с двухпоточными вихревыми трубами.

1.3.2. Вихревые установки с ТВТ.

1.4. Альтернативные газодинамические аппараты.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ КОНДЕНСАЦИИ КОМПОНЕНТОВ В ВИХРЕОВЙ ТРУБЕ.

2.1. Теоретические предпосылки разработки методики.

2.2. Механизм конденсации компонентов газа в ВТ.

2.2.1. Двухпоточная ВТ производительностью до 50 ООО нм3/ч.

2.2.2. Нерегулируемая ТВТ производительностью до 5 ООО нм3/ч.

2.2.3. Регулируемая ТВТ производительностью до 3 200 нм3/ч.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТВТ В СХЕМЕ БЕЗ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА.

3.1. Результаты исследований процессов подготовки газа на установке с блоком ТВТ.

3.1.1. Технологическая схема установки подготовки газа.

3.1.2. Конструкция регулируемой ТВТ.

3.2. Результаты испытаний ТВТ.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3.

4. РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОДГОТОВКИ НЕФТЯНОГО ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВТ И ТВТ.

4.1. Требования к качеству транспортируемого газа.

4.2. Разработка технологических схем подготовки газа.

4.2.1. Технологическая схема с одной вихревой трубой (ДВТ).

4.2.2. Технологическая схема с одной вихревой трубой (ТВТ).

4.2.3. Технологическая схема с двумя вихревыми трубами.

4.2.4. Технологическая схема с ТВТ и холодильной установкой.

4.2.5. Технологическая схема с ДВТ и двухстадийной компрессией.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ПОДГОТОВКИ НЕФТЯНОГО ГАЗА " : С ДВУМЯ ТВТ.

5.1. Технологическая схема установки.

5.2. Характеристика трехпоточных вихревых труб.

5.3. Режимы эксплуатации, анализ работы ТВТ и установки в целом.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и исследование технологии низкотемпературной очистки и осушки нефтяного попутного газа"

Актуальность проблемы

В настоящее время в России разрабатывается более 1200 нефтяных, нефтегазовых и нефтеконденсатных месторождений. Вместе с нефтью извлекается растворенный в ней газ. Его содержание колеблется от 5 до 300 кубометров на тонну нефти. Годовые потери этого ценного сырья и энергоносителя в целом по стране составляют около 15 млрд. кубометров.

Сжигание его на факелах приводит не только к невосполнимым потерям углеводородов, но и наносит экологический ущерб окружающей среде из-за выбросов в атмосферу вредных веществ, в том числе усугубляющих «парниковый эффект». Кроме того, при эксплуатации месторождений без утилизации нефтяного попутного газа теряются миллиарды рублей в виде платы за выбросы, а бюджеты разных уровней ничего не получают от такой добычи нефтяного попутного газа (НГ). В этой связи проблема использования НГ является актуальной как для организаций, имеющих лицензии на право пользования недрами, так и для государства в целом.

Утилизируя НГ, можно получать электроэнергию, тепло, сжиженный газ для отопления, моторные топлива, высокооктановые добавки и растворители, безнитратные удобрения и другие продукты переработки НГ по более низким ценам для населения региона, чем они имеют место сейчас.

Одной из основных причин неполного использования добываемого вместе с нефтью НГ заключается в том, что его себестоимость, а также себестоимость продуктов его переработки, значительно выше, чем у природного газа. Это связано, прежде всего, с особенностями технологии добычи нефти по сравнению с технологией добычи природного газа, а именно:

- дебиты нефтяных скважин по НГ в десятки раз меньше дебитов газовых скважин;

- давление НГ значительно меньше, чем давление на скважине природного газа;

- в процессе подготовки нефти необходима многоступенчатая система дегазация НГ;

- требуется создания более разветвленной системы газосборных промысловых трубопроводов.

Специфической особенностью НГ является также невозможность его транспортировки на большие расстояния без предварительной подготовки (иначе имеет место двухфазный транспорт, а также риск загидрачивания). Нефть обычно сепарируется при избыточном давлении 0,5-0,8 МПа (1-я ступень сепарации), а не 10,0 МПа (и более), как природный газ, что недостаточно для транспортировки образующегося НГ и подачи его в магистральные газопроводы. Кроме того, в отличие от природного газа, который состоит большей частью из метана и этана, нефтяной газ содержит в своем составе значительное количество пропана, пентана, более тяжелых углеводородов, а также пары воды. Все это требует осушки попутного газа, его отбензинивания и компремирования, что при нерациональном подходе к технологическим решениям влечет за собой большие капитальные и энергозатраты и, соответственно, малую доходность инвестиций.

Для решения вопросов использования ресурсов НГ разработано довольно много различных технологических методов, которые определяются индивидуально для каждого месторождения в соответствии со следующими возможными направлениями его утилизации:

1. Транспорт газа на газоперерабатывающий завод (ГПЗ).

2. Подготовка НГ для подачи в магистральный газопровод.

3. Подготовка НГ с выделением фракции С5+выше и закачивание ее в нефть.

4. Получение из НГ моторных топлив, высокооктановых ароматических углеводородов, сжиженных газов, безнитратных удобрений и прочих продуктов переработки.

5. Получение электроэнергии.

6. Компрессия и закачивание газа в пласт.

В нашей стране при наличии доступа в основном реализуются варианты пп. 1 и 2, а также довольно широкое распространение получило направление по п. 5. Данные направления требуют соответствующей подготовки НГ, особенно при его использовании в газопоршневых и газотурбинных электростанциях. К потребляемому газовыми двигателями электростанций топливному газу предъявляются довольно жесткие требования (необходимая точка росы, минимально необходимое метановое число, содержание влаги и др.), которые непросто выполнить в промысловых условиях малозатратными методами. Поэтому очень важным в решении подобных вопросов является выбор технологических процессов, преимущественно отработанных в промышленном масштабе, с учетом предпочтительного применения отечественного оборудования, изготавливаемого на заводах РФ и эффективно работающего на действующих объектах.

В практике осушки, очистки и разделения углеводородных газов применяются, как правило, отработанные технологические аппараты и схемы, основанные на традиционных процессах абсорбции, адсорбции, низкотемпературной конденсации с применением холодильных машин, а также на относительно новых процессах (например, мембранных технологиях и др.). Однако подобные установки требуют значительных энергоматериальных затрат, а также затрат на квалифицированное обслуживание. Они вполне рентабельны на агрегатах большой мощности и реализуются, как правило, на ГПЗ. Их эксплуатация в промысловых условиях может оказаться проблематичной как в техническом, так и экономическом аспектах.

Наиболее приемлемы в промысловых условиях технологии, основанные на низкотемпературной конденсации компонентов, когда в качестве генераторов холода используются относительно простые и надежные расширители газа, каковыми на сегодня являются дроссельные вентили и вихревые трубы (ВТ). Следует отметить, что для дроссельного расширителя необходим больший перепад давления, который может быть обеспечен в основном только при добыче и подготовке природного газа.

При подготовке НГ такого благоприятного условия, как правило, нет, поэтому разработчики низкотемпературной технологии очистки и осушки НГ все чаще обращаются в своих проектах к более эффективному расширителю -вихревой трубе Ранка-Хилша. Она прельщает не только своей конструктивной простотой при феноменальной способности одновременного получения холода и тепла, но и возможностью одновременной низкотемпературной сепарацией компонентов. Такая возможность реализуется в трехпоточных вихревых трубах (ТВТ), когда в отличии от двухпоточных вихревых труб (ДВТ) наряду с охлажденным и подогретым потоками из нее выводится сконденсированная и отсепарированная жидкость (или газожидкостная смесь).

Следует отметить, что к настоящему времени разработаны и апробированы другие расширители, в частности, пульсационные охладители газа, газодинамические сверхзвуковые сепараторы, волновые детандеры, труба Леонтьева и другие. И хотя эти аппараты, как и ВТ, эффективнее дросселя, но все они либо только опробованы в опытном масштабе, либо находятся на стадии опытно-промышленных испытаний или единичного внедрения. Что же касается вихревых труб, то они, хотя и постепенно, но заполняют свою технологическую нишу. Их возможности в части генерации холода и надежности в работе подтверждены многолетней промышленной эксплуатацией в составе вихревых установок (ВУ) на ряде предприятий газовой, нефтедобывающей и химической промышленности.

Проведенный анализ технической литературы показал, что промышленная и опытно-промышленная эксплуатация вихревых труб проводится в настоящее время в простейших схемах, не реализующих потенциальных возможностей технологических потоков, пригодных для получения дополнительного холода. Кроме того, имеется весьма ограниченное количество экспериментальных работ по исследованию термодинамических параметров высокорасходных ТВТ; изучен лишь весьма ограниченный ряд конструкций сепарационных узлов ТВТ; практически отсутствуют методики расчета процесса конденсации компонентов в ВТ. Все это является тормозом при разработке и реализации вихревых аппаратов для эксплуатации, в условиях отличающихся от изученных.

Цель работы

Повышение эффективности подготовки попутного нефтяного газа к транспорту в магистральные трубопроводы с применением вихревых труб Ранка-Хилша.

Основные задачи исследований

1. Разработка методики расчета эффективности процесса конденсации компонентов в вихревой трубе.

2. Экспериментальные исследования термодинамических и сепарационных характеристик высокопроизводительной ТВТ.

3. Разработка оптимальной конструкции сепарационного узла ТВТ при работе на нефтяном газе.

4. Исследование вариантов технологических схем подготовки нефтяного газа с вихревыми трубами двухпоточной и трехпоточной модификации, в том числе схем с внутренним холодильным циклом. Разработка технологической схемы с ТВТ установки подготовки попутного нефтяного газа (УПГ) и получения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) Загорского и Лебяжинского нефтяных месторождений.

5. Анализ результатов эксплуатации реализованной УПГ с применением трехпоточных вихревых труб в рекуперационной схеме с внутренним холодильным циклом и с использованием внешних источников дополнительного холода.

Научная новизна выполненной работы

1. Установлено наличие сверхзвукового течения в ВТ с числом Маха до М= 1,75.

2. Установлено преимущество конусно-цилиндрической сепарационной насадки по сравнению со щелевой при работе ТВТ на углеводородном газе, содержащем большое количество конденсирующихся компонентов.

3. Научно обоснованы технологические схемы очистки и осушки углеводородных смесей с применением двухпоточных и трехпоточных вихревых труб, в том числе с внутренним холодильным циклом и с использованием внешних источников дополнительного холода.

4. Проанализированы результаты эксплуатации первой в мировой практике системы очистки и осушки низконапорного нефтяного газа с применением компрессии и трехпоточных вихревых труб в технологической схеме с внутренним холодильным циклом и с использованием холода внешних технологических источников.

Практическая ценность и реализация

1. Разработана и реализована на установке комплексной подготовки нефти и газа ДНС «Загорская» ООО «Терминал» низкотемпературная технология подготовки низконапорного попутного газа на базе компремирования и трехпоточных вихревых труб, позволившая обеспечить необходимую точку росы попутного газа по воде и углеводородам перед подачей его в магистральный газопровод Оренбург-Самара. При этом получаемые сжиженные углеводороды (СУГ) реализуются в качестве сырьевого продукта - ШФЛУ.

2. По результатам внедрения предложенной технологии подготовки попутного газа получен годовой экономический эффект (2006-2007 гг.) в сумме 199 010 тыс. рублей.

3. Выданы рекомендации по разработке системы утилизации попутного газа нефтедобычи с применением вихревой технологии для Капитоновского месторождения предприятия ОАО «Южуралнефтегаз», вводимой в эксплуатацию в 2007 году.

4. Выдано техническое предложение на разработку двух технологических линий установки подготовки попутного нефтяного газа для месторождения «Кожасай» (Республика Казахстан) с применением сепарирующих и холодообразующих ТВТ.

Заключение Диссертация по теме "Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений", Рябов, Александр Петрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана технология подготовки попутного нефтяного газа к транспорту и получения ШФЛУ на базе компремирования и применения трехпоточных вихревых труб в технологической схеме, использующей рекуперацию всех технологических потоков и холода внешних источников.

2. Установлена работоспособность двух модификаций узла сепарации трехпоточной вихревой трубы. Более эффективной является конусно-цилиндрическая насадка.

3. Разработана методика расчета процесса конденсации компонентов в вихревой трубе, позволяющая оценить ее эффективность как газодинамического устройства для подготовки нефтяного газа. Установлено наличие сверхзвукового течения газа в вихревой трубе с числом Маха до 1,75.

4. Разработаны технологические схемы очистки и осушки углеводородных смесей с применением двухпоточных и трехпоточных вихревых труб, которые рекомендованы к промышленному использованию.

5. Экспериментально в промышленном масштабе теоретически обосновано и подтверждено промышленным внедрением термодинамическое преимущество трехпоточной вихревой трубы при работе на режиме ц = 1,0 по сравнению с дроссель-вентилем.

6. Результаты исследований успешно реализованы при реконструкции установки подготовки нефтяного газа к транспорту на ДНС «Загорская». Годовая экономическая эффективность от их внедрения составила за период 2006-2007 гг. 199010 тыс. рублей.

7. Проведен всесторонний анализ работы промышленной установки подготовки нефтяного газа на ДНС «Загорская» и выданы рекомендации к промышленному использованию разработанной технологии при промысловой подготовке нефтяного газа.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рябов, Александр Петрович, Тюмень

1. Ranque G.I. Experiences sur la Detente Girataire avec Productions Simultahees cT un Echappement d' Air chand at d" Air froid // Journal de Physique at le Radium, 1933,4, N7, p. 112.

2. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld des Kalteprozes // Zeitschrift für Naturforschung, 1946, N 1, s. 208-214.

3. Николаев B.B. Опыт эксплуатации регулируемой вихревой трубы на газораспределительной станции/ В.В. Николаев, В.П. Овчинников, М.А. Жидков, Г.А. Комарова, А.И. Резвых// Газовая промышленность. 1995. - № 10. - С. 13-14.

4. Гусев А.П. Подготовка попутного газа нефтедобычи к транспорту с применением трехпоточной вихревой трубы // Дис. канд. техн. наук. Тюмень, 2004.-218 с.

5. Мартынов A.B. Что такое вихревая труба? / A.B. Мартынов, В.М. Бродянский. М.: Энергия, 1976. - 153 с.

6. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.- 183 с.

7. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 414 с.

8. Жидков М.А. Термодинамическая эффективность промышленной вихревой трубы / М.А. Жидков, В.П. Овчинников, Г.А. Комарова // Газовая промышленность. 1997. - № 12. - С. 54-56.

9. Erdelyi J. Wirkung des Zentrifugalkraffeldes auf des Warmerustand dtr Gase, Erklärung der Ranque-Enscheinung-Forchund // Ingenierwesens, 1962, Bd. 28, N6, s. 181-186.

10. Webster D.S. An analisis of the Hilsch Vortex Tube // Refr. Engng, 1950, N2, p. 16-21.

11. Otten E.H. Vortex Tube // Engineering, Aug. 1958, p 4821.

12. Сафонов В.А. О распределении молекул при криволинейном движении газа // Вихревой эффект и его прномышленное применение: Материалы III Всесоюз. науч.-техн. конф. Куйбышев, 1981. - С. 52-56.

13. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка // Успехи физических наук. 1997. - Т. 167, №6.-С. 665-687.

14. Вулис JI.A. Элементарная теория эффекта Ранка / JI.A. Вулис, A.A. Кострица // Теплоэнергетика. 1962. - № 10. - С. 72-77.

15. Дубинский М.Г. Течение вращающихся потоков газа в кольцевых каналах // Известия АН СССР, ОТН. 1955. - № 11.

16. Fulton C.D. Ranque's Tube // Refrigerating Engineering, Mau, 1950.

17. Schults-Grunow F. Die Wirkungwaise des Ranque-wirbelrohres // Kältetechnik, 1950, Bd. 2, s. 273-284.

18. Хинце И.О. Турбулентность. М.: Изд-во физ.-мат. лит., 1963.

19. Scheper G.W. The Vortex Tube-intermal flow data and a heat transfer theory //RefrigeratingEngineering, 1951, vol. 59, Oct. p. 985-988.

20. Гуляев А.И. Исследование вихревого эффекта // Журн. Техн. физики. -1965. -Т. 35, № 10. С. 1869-1881.

21. Гольдштик М.А. К теории эффекта Ранка (закрученный поток газа в вихревой камере) // Изв. АН СССР. Серия МЖГ. 1969. - № 4. - С. 153-162.

22. Чижиков Ю.В. Развитие методов расчёта и промышленное использование вихревого эффекта // Дис. д-ра техн. наук. М., 1999. - 291 с.

23. Elser К., Hoch М. Das Verhalten verschidener Gas und die Trennung in einem Wirbelrohr // Zeitschrift fur Naturforschung. 1951, N 6a, s. 25-31.

24. Торочешников H.C. Экспериментальное исследование вихревого эффекта в трубах малого диаметра / Н.С. Торочешников, Ж.А. Коваль // Химия и химическая технология: Науч. тр. высшей школы. 1958. - № 3. - С. 603-606.

25. Linderstrom-Lang C.V. Gas Separation in the Raque-Hilsch Vortex Tube. // International Journal of Heat and Mass Transfer, 1964, v.7, N 11, p. 1195-1206.

26. Marshall I. Effect of operating condition physical size and Fluid characteristics on the Gas Separation performance of Linderstrom-Lang Vortex Tube // International Journal of Heat and Mass Transfer, 1977, v.20, N 3, p. 227-231.

27. Баженов Ю.М. Исследование процесса разделения газов в вихревой трубе / Ю.М. Баженов, А.Н. Чернов // Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы II Всесоюз. науч.-техн. конф. Куйбышев, 1976. - С.24-29.

28. Мартынов A.B. О разделении газовых смесей в вихревой трубе / A.B. Мартынов, В.М. Бродянский // Тр. МЭИ, Промэнергетика. 1963. - Вып. 48. - С. 147-149.

29. Комарова Г.А. Способ выделения аммиака из продувочных газов синтеза / Г.А. Комарова, И.Л. Лейтес, Т.В. Житкова, Л.С. Червякова, С.М. Лифшиц // Химическая промышленность. 1975. - № 4. - С. 37-40.

30. Бродянский В.М. Вихревая труба для сепарации природного газа / В.М. Бродянский, A.B. Мартынов // Газовое дело. 1962. - № 5. - С. 33-37.

31. Красовицкий Б.А. Работа вихревой трубы в системе низкотемпературной сепарации / Б.А. Красовицкий, Ю.Д. Райский, А.З. Темнин, Л.Е. Тункель // Газовая промышленность. 1969. - № 6. - С. 6-9.

32. Алексеев Т.С. Применение вихревых камер на установках низкотемпературной сепарации природных газов // Газовое дело. 1963. - № 6-7. -С. 49-59.

33. Базлов М.Н. Подготовка природного газа и конденсата к транспорту / М.Н. Базлов, А.И. Жуков, Т.С. Алексеев. -М.: Недра, 1968.- 215 с.

34. Райский Ю.Д. Испытание вихревой трубы в установках НТС на Совхозном месторождении / Ю.Д. Райский, Л.Е. Тункель, А.Н. Клюшин // Газовая промышленность. 1973. - № 5. - С. 12-15.

35. Fekete L.A. Vortex tube is intriguing separator // The Oil and Gas Journal, 1970, N24, p. 71-73.

36. Райский Ю.Д. Применение вихревых труб в газовой промышленности / Ю.Д. Райский, Л.Е. Тункель // Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения: Тр. первой науч.-техн. конф. -Куйбышев, 1974.-С. 120-126.

37. Мартынов A.B. К вопросу о применении вихревых труб для низкотемпературной сепарации природного газа / A.B. Мартынов, К.Б. Немира // Тр. МЭИ. 1975. - Вып. 249. - С. 128-133.

38. Райский Ю.Д. Применение вихревых труб в схемах подготовки природного газа / Ю.Д. Райский, JI.E. Тункель // Обзорная информация. Газовая промышленность. Серия: Подготовка и переработка газа и газового конденсата. -1979.-Вып. 5.-С. 57.

39. Бродянский В.М. Использование вихревого эффекта в химической технологии / В.М. Бродянский, И.Л. Лейтес, A.B. Мартынов, В.П. Семёнов, С.М. Эстрин // Химическая промышленность. 1963. - № 4. - С. 32-36.

40. Williams A. The cooling of methane with Vortex tubes // Journal Mechanical Engineering Science, 1971, v. 13, p. 369-375.

41. Тункель Л.Е. О влиянии высоты вводного сопла на вихревой эффект // Известия вузов. Нефть и газ. 1964. - № 4. - С. 69-74.

42. Жидков М.А. Очистка природного газа от сернистых соединений низкотемпературной абсорбцией конденсирующимися углеводородами / М.А. Жидков, И.Л. Лейтес, Б.Г. Тагинцев, В.В. Атоманова // Газовая промышленность. -1974.-№6.-С. 43-46.

43. Степанов И. Низкотемпературная очистка природного газа / И. Степанов, М. Жидков, И. Лейтес, Кай Кунингаз, В. Атаманова, Б. Тагинцев, Ранг Сильвия // Известия Академии наук Эстонской ССР. 1980. - Т. 29. - № 3. - С. 222-223.

44. Николаев В.В. Эксплуатация регулируемой вихревой трубы в технологической схеме ГРС / В.В. Николаев, В.П. Овчинников, М.А. Жидков, Г.А. Комарова // Газовая промышленность. 1997. - № 6. - С. 50-51.

45. Жидков М.А. Низкотемпературная очистка газов с применение вихревого эффекта // Дис. канд. техн. наук. М.: ГИАП, 1982. - 231 с.

46. Жидков М.А. Реализация вихревой технологии в производстве бутиловых спиртов / М.А. Жидков, М.И. Шперкин, A.B. Хомяков, A.B. Плотникова // Химическая промышленность сегодня. 2006. - № 1. - С. 24-29.

47. Пошернев Н.В. Опыт работы универсальной конической вихревой трубы на природном газе / Н.В. Пошернев, И.Л. Ходорков // Сибирский промышленник. 2004. - № 3. - С. 5-8.

48. Чернов А.Н. Исследование работы трёхпоточной вихревой трубы на нефтяном газе / А.Н. Чернов, Е.М. Брещенко, Г.Н. Бобровников, A.A. Поляков // Переработка нефтяных газов: Тр. ВНИИОЭНГ. М.: ВНИИОЭНГ, 1981. - Вып. 7. -С. 115-123.

49. Пат. 2035990 РФ, CI 6В01 J 8/16. Вихревой аппарат / М.А. Жидков, Г.А. Комарова (Россия). № 93053447/26; Заявлено 07.12.93; Опубл. 27.05.95, Бюл. № 15.

50. Исхаков P.M. Применение ТВТ для конденсации тяжёлых углеводородов из попутного нефтяного газа / P.M. Исхаков, В.В. Николаев, М.А. Жидков, Г.А. Комарова // Газовая промышленность. 1998. - № 7. - С. 42-43.

51. Гусев А.П. Система подготовки попутного газа нефтедобычи к транспорту с применением регулируемой трёхпоточной вихревой трубы / А.П. Гусев, P.M. Исхаков, М.А. Жидков, Г.А. Комарова // Химическое и нефтегазовое машиностроение. Июль, 2000. - С. 16-18.

52. Жидков М.А. Взаимосвязь сепарационных и термодинамических характеристик трехпоточных вихревых труб / М.А. Жидков, Г.А. Комарова, А.П. Гусев, P.M. Исхаков // Химическое и нефтегазовое машиностроение. Май, 2001.-С. 8-11.

53. Hajdik В., Lorey M., Steinle J., Thomas K. Vortex tube can increase liquid hydrocarbon recovery at plant inlet // Oil & Gas Journal, 1997, Sept. 8, p. 76-83.

54. Garret R.L., Ochlschlager W.K., Tomich J.F. Vapor-liquid separation at Supersonik velo cities // Trans. Asme, 1968, B, 4, p. 609-612.

55. Темпель Ф.Г. Разработка газовых месторождений и транспортировка газа. JL: Недра, 1970.

56. Берго Б.Г. Холодильная техника для низкотемпературной обработки и переработки природного газа / Б.Г. Берго, Н.Я. Зайцев, Р.А. Васильев, А.С. Мелков // Переработка газа и газового конденсата: Сб. тр. М.: Изд-во ВНИИЭГАЗПРОМ, 1976.

57. Курбатов Л.М. Стендовые испытания вихревого сепаратора // Повышение эффективности добычи и транспорта газа: Сб. тр. М., 1976. - С. 246251.

58. Немира К.Б. Испытание вихревого сепаратора / К.Б. Немира, А.В. Мартынов // Вихревой эффект и его промышленное применение: Материалы III Всесоюз. науч.-техн. конф. Куйбышев, 1981. - С. 180-183.

59. Page D., Lander M., De Kruiff S. Twister a revolution in gas separation// Restricted-Shell personnel-exploration and Production Newsletter, November, 1999, p. 29-31.

60. Окимото Ф. Сверхзвуковой метод подготовки газа / Ф. Окимото, Д.М. Браувер // Нефтегазовые технологии. 2002. - № 6. - С. 41-44.

61. Эпсом X., Клейвер Т. Новаторский сверхзвуковой метод подготовки газа / X. Эпсом, Т. Клейвер // IMPAST, Shell Global Solutions, 2004, № 3, с. 6.

62. Alfyorov V., Bagirov L., Dmitriev L., Imaev S., Lacey J. Supersonic nozzle efficiently separates natural gas components // Oil&Gas Journal, 2005, May, p 23-27.

63. Жидков М.А. Термодинамическая эффективность промышленной вихревой трубы / М.А. Жидков, В.П. Овчинников, Г.А. Комарова // Газовая промышленность. 1997. - № 12. - С. 54-56.

64. Калашников В.Н. Связь вихревого эффекта с числом Россби / В.Н. Калашников, Ю.Д. Райский // Тр. первой науч.-техн. конф. Куйбышев, 1974.-С. 4-11.

65. Запорожец Е.П. Математическое моделирование термогазодинамических процессов в многокомпонентных струйных течениях (кавитационных, пульсационных, вихревых) и их конструктивное оформление. // Дис. д-ра техн. наук. М., 1995.-495 с.

66. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., 1991. - Т. 1.600 с.

67. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкости и газов // Тр. ЦАГИ. М., 1945. - Вып. 512. - 214 с.

68. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М., 1974 - 592 с.

69. Вукалович М.П. Термодинамика / М.П. Вукалович, Н.И. Новиков. М., 1972.-670 с.

70. Холпанов Л.П. Математическое моделирование нелинейных термогидрогазодинамических процессов / Л.П. Холпанов, В.П. Запорожец, Г.К. Зиберт, Ю.А. Кащицкий. М., 1998. - 320 с.

71. Муронов Е.А. Исследование процесса конденсации в природном газе при течении через расширительные устройства с большими скоростями // Дис. . канд. техн. наук. Краснодар, 1972. - 152 с.

72. Метенин В.И. Исследование противоточных вихревых труб // ИФЖ. -1964.-Т. VII, №2.

73. Чижиков Ю.В. Исследование расходных характеристик вихревой трубы // Глубокий холод и кондиционирование: Тр. МВТУ. М., 1976. - № 239. -С. 127-129.

74. ГОСТ 5542-87. Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1987.-3 с.

75. ОСТ 51.40-93. Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам. Технические условия. М.: Изд-во ВНИИГАЗ, 1993. - 7 с.

76. ГОСТ 18917-82. Газ горючий природный. Метод отбора проб. М.: Изд-во стандартов, 1981. - 5 с.

77. Курковский В.А. Опыт эксплуатации фильтров с насадками комбинированного типа на Череповецком азотнотуковом заводе / Курковский В.А., Айзенбуд А.Б. // Химическая промышленность. 1979. - № 4. - С. 44-45.

78. Донец К.Г. Гидроприводные струйные компрессорные установки. М.: Недра, 1990.-407 с.

79. Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-405 с.

80. Зиберт Г.К. Перспективные технологии и оборудование для подготовки углеводородных газов и конденсата. М.: Недра, 2005. - 367 с.

81. Пат. 2259511 РФ, С2 МПК7 F 17 D1/02. Способ подготовки и утилизации попутного низконапорного газа / В.А. Фатихов, В.Н. Коваль, М.А. Жидков (Россия). -№ 2003129465/06; Заявлено 06.10.03; Опубл. 27.08.05, Бюл. № 24.

82. Донец К.Г. Раучные и технологические основы создания гидроприводных струйных установок для объектов нефтегазодобычи. // Дис. .д-ра техн. Наук. М., 1992. - 481 с.