CC BY
34
УДК 665.612.003.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОБАРНОГО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ НИЗКОКАЛОРИЙНОГО ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
БЛЯБЛЯС АН., КОРЕПАНОВ М.А.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В статье описывается технология низкотемпературного разделения попутного нефтяного газа на фракции без использования компрессионных установок. Проведен анализ эффективности данной технологии на примере газа с химическим составом, аналогичным попутному нефтяному газу Гремихинского месторождения, характерного для Удмуртской Республики. Проведены численные и экспериментальные исследования и подтверждена работоспособность технологии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: попутный нефтяной газ, низкокалорийный, утилизация, конденсация, сепарация, широкая фракция летучих углеводородов.
ВВЕДЕНИЕ
С 1 января 2012 г. вступило в действие постановление правительства Российской Федерации, устанавливающее требование к нефтекомпаниям об утилизации 95 % добываемого попутного нефтяного газа (ПНГ) [1].
Несмотря на это, ежегодно на факельных системах нефтегазодобывающих компаний сжигаются миллионы кубометров топлива.
На сегодняшний день существуют множество технологий позволяющих так или иначе использовать попутный нефтяной газ, одной из наиболее используемых является низкотемпературная сепарация предварительно компримированного газа в ректификационных колоннах с последующим выделением широких фракций легких углеводородов. Данная технология оправдывает энергозатраты, когда углеводородный газ высококалорийный, с теплотой сгорания 15 - 25 тыс. ккал/м3, т.е. содержит достаточно большое количество углеводородных газов.
Специфика добываемого попутного газа на территории Удмуртской Республики заключается в том, что средняя объемная доля азота составляет 60 - 80 %, в связи с этим, средняя теплота сгорания газа варьируется от 3 до 7 тыс. ккал/м3. В связи с этим невольно напрашивается вопрос о целесообразности компрессионного воздействия на ПНГ, большую часть которого составляет азот, являющийся нейтральным газом. Кроме того, компрессионное разделение газа влечет за собой конденсацию и растворение в жидкости нецелевых компонентов, таких как азот, сероводород, и т.д. В связи с этим, требуется последующая дегазация получающегося жидкого продукта.
Предлагаемая технология предусматривает исключение компрессорной установки из рассмотренной ранее [2] технологической схемы разделения углеводородных газов. Высвободившуюся энергию предлагается направить на дополнительное охлаждение хладагента в системе. Существующий уровень холодильной техники позволяет поддерживать температуру хладагента в системе до -30 оС. Принципиальная технологическая схема изобарного разделения низкокалорийного попутного нефтяного газа приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема изобарного разделения низкокалорийного попутного нефтяного газа
Для моделирования процесса низкотемпературной сепарации используется САПР Aspen HYSYS, с решателем по уравнению Пенга-Робинсона.
Предложенное в 1976 г. уравнение состояния Пенга-Робинсона получило широкое распространение для расчетов газо-жидкостного равновесия
ЯТ а
Р =---,
V - Ь V (V + Ь) + Ь (V - Ь)
где р - давление, МПа; Т- температура, К; V - мольный объем, м/кмоль; Я - универсальная газовая постоянная, МПа-м3/кмоль-К; а, Ь - коэффициенты уравнения Пенга-Робинсона для чистых веществ [3].
Моделирование и эксперимент проводились на характерном примере низкокалорийного попутного газа Гремихинского месторождения Удмуртской Республики, с содержанием нейтральных (не углеводородных) газов свыше 70 % и общей теплотой сгорания 5111 ккал/м3, примерный состав приведен в табл. 1.
Таблица 1
Компонентный состав ПНГ Гремихинского месторождения
О2 СО2 n2 CH4 C2H6 C3H8 Í-C4H10 n-C4H10 Í-C5H12 n-C5H12 c6h14 H2S
0,06 3,38 69,35 6,45 4,1 6,12 2,04 3,36 1,52 0,98 0,83 1,81
Аппроксимируем значения, принимаем расход газа на факельной линии - 100 кг/ч, температуру газа в факельной линии +20 оС. (при среднегодовой температуре ПНГ в линии +3 оС), среднее давление на факельной линии 1 МПа. Рассматриваются режимы глубокого охлаждения углеводородной смеси до температур +5, 0, -5, -10, -15, -20, -25, -30 оС. Результаты моделирования (выход жидкой фракции и энергетические затраты) представлены в табл. 2.
Ввиду того, что в 100 кг низкокалорийного газа целевых углеводородов (пропан, бутан, пентан, гексан) содержится лишь 12,35 кг, максимальный объем выделенного конденсата составляет около 8 кг, что соответствует 67,5 % при температуре охлаждения минус 30 оС.
Таблица 2
Зависимость выхода жидкой и газообразной фазы (кг/ч) в зависимости от температуры охлаждения
Т х охл 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30
Gгаз, кг/ч 99,8 98,885 97,88 96,79 95,62 94,42 93,2 91,979
Gжидк, кг/ч 0,2 1,115 2,12 3,21 4,38 5,58 6,8 8,021
Езатрачеш кВТ>ч 0,524 0,816 1,09 1,37 1,66 1,96 2,26 2,57
На основании предложенной технологической схемы была спроектирована лабораторная установка, которая подтвердила свою работоспособность на нефтяных месторождениях Удмуртской Республики. Эксперимент проводился на попутном газе аналогичного химического состава.
8,5 8 7,5 7 6,5 6
Ё 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
>
с; ©
□
О X л ей
-5
-10
-15
-20
-25
-30
Температура хладагента, С
Рис. 2. Выход жидкой фракции. Корреляция моделирования и эксперимента
0
5
0
Модель 'Эксперимент
Результаты эксперимента достаточно хорошо коррелируют с получившимися теоретическими предсказаниями. Из графика видно, что при понижении температуры охлаждения выход ШФЛУ практически линейно возрастает, некоторые отклонения экспериментальных результатов относительно математической модели можно объяснить колебаниями состава ПНГ в газопроводе.
Стоит также отметить, что данная технология выделения жидкой фракции из ПНГ оказывается экономически эффективной даже при извлечении менее 10 кг ШФЛУ из 100 кг исходного газа. Это связано в первую очередь с тем, что на прямое глубокое охлаждение ПНГ затрачивается значительно меньше энергии, чем на предварительное компримирование и последующее охлаждение.
Из табл. 2 видно, что при температуре охлаждения -30 оС затраты энергии на охлаждение ПНГ при расходе 100 кг/ч не превышают 3 кВтч, а выход сжиженной фракции
составляет около 8 кг, что при существующих ценах на энергоносители показывает низкий уровень затрат на электроэнергию для охлаждения по сравнению с ценой жидкой фракции.
Оставшаяся в газообразном состоянии часть исходного ПНГ содержит в основном азот, метан, другие газы, а также углеводороды, оставшиеся на уровне давления насыщенного пара. Этот газ нельзя выбрасывать в атмосферу без переработки. И так как после извлечения углеводородов теплота сгорания оставшегося газа будет еще ниже, и если температура его адиабатного сгорания будет составляет около 1900 К, что находится на границе устойчивого горения углеводородов на воздухе [4], то для его утилизации можно рассмотреть сжигание с воздухом в присутствии катализатора с использованием тепла в технологических целях, например, для подогрева нефти.
Очевидно, что повышение точности расчетов фазовых превращений углеводородных смесей актуально и в настоящее время, поскольку, чем выше точность и область применения модели, тем меньше количество необходимых трудоемких экспериментов.
Рассмотренная в статье технология утилизации попутного нефтяного газа позволяет извлекать из него жидкие углеводороды и существенно сократить выбросы в окружающую среду.
Предложенная технология может быть экономически оправданна даже при содержании инертных газов в ПНГ свыше 70 %, что характерно для нефтяных месторождений Удмуртской республики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках. Постановление Правительства РФ от 08.01.2009 № 7 (ред. от 08.11.2012).
URL: http://www.consultant.ru/document/cons doc LAW 83792/ (дата обращения 13.09.2014).
2. Блябляс А.Н. Технология разделения попутного нефтяного газа в условиях отсутствия развитой инфраструктуры // Сборник материалов III Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке / Ответственные за выпуск: А.П. Тюрин, А.Н. Домбрачев. Электронное научное издание. Ижевск : Изд-во ИННОВА, 2015. С. 570-573.
3. Фаловский В.И., Хорошев А.С., Шахов А.С. Современный подход к моделированию фазовых превращений углеводородных систем с помощью уравнения состояния Пенга-Робинсона // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 4-1. С. 120-125.
4. Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М. : Химия, 1990. 304 с.
MODELING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF ISOBARIC LOW-TEMPERATURE SEPARATION OF LOW-CALORIE ASSOCIATED PETROLEUM GAS
Blyablyas A.N., Korepanov M. A.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. This article describes the technology of low-temperature separation of associated gas into fractions without the use of compressor. The analysis of the effectiveness of this technology on the example of a gas with a chemical composition similar to that of associated petroleum gas of Gremikhinskoye field characteristic for the Udmurt Republic is done. Numerical and experimental studies confirmed the efficiency this technology.
KEYWORDS: associated petroleum gas, low-calorie, utilization, condensation, separation natural gas liquids.
Блябляс Александр Николаевич, аспирант ИМ УрО РАН
Корепанов Михаил Александрович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: kma@udman.ru
