CC BY
95
УДК 661.939.1
Р. Р. Хабибуллин (нач. тех. отд.)1, Д. В. Пантелеев (к.т.н., нач. тех.отд.)2,
А. М. Сыркин (к.х.н., проф.)3
Эффективное использование внутренней энергии природного газа с целью увеличения степени извлечения углеводородной продукции на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург»
1 Гелиевый завод ООО «Газпром добыча Оренбург» 460539, г. Оренбург; тел. (3532) 737220, e-mail: togz@ogp.gazprom.ru 2ООО «Газпром добыча Оренбург» 460058, г. Оренбург, ул. Чкалова, 1/2; тел.(3532) 731316, e-mail: d.panteleev@ogp.gazprom.ru 3 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра общей и аналитической химии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (3472) 431632, e-mail: syrkinam@mail.ru
R. R. Khabibullin1, D. V. Panteleev2, A. M. Syrkin3
Effective utilisation of internal energy of natural gas for the purpose of increase in degree of extraction of hydrocarbonic production in LLC «Gazprom Dobycha Orenburg»
1 LLC «Gazprom Dobycha Orenburg»»
1/2, Chkalova st., 460058, Orenburg, Russia; ph. (3532)737220, e-mail: togz@ogp.gazprom.ru
2 LLC «Gazprom Dobycha Orenburg»
1/2, Chkalova st., 460058, Orenburg, Russia; ph. (3532)731316, e-mail: d.panteleev@ogp.gazprom.ru
3 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov st., 450062, Ufa, Russia; ph. (347)2431632, e-mail: syrkinam@mail.ru
Существующая конструкция установки получения гелия при изменяющихся условиях протекания процесса не позволяет получать достаточно высокую холодопроизводительность при расширении в турбодетандере метановой фракции высокого давления. Это обусловлено наличием значительных колебаний нагрузки и состава сырьевого газа, подаваемого на установку. Установлено, что для создания условий, позволяющих обеспечить незначительные отклонения КПД турбодетандерного агрегата от максимально-возможных значений, потребуется установка двух или более параллельно работающих турбинных модулей.
Ключевые слова: гелиевый завод; метановая фракция высокого давления; природный газ; турбодетандер; широкая фракция легких углеводородов; этановая фракция.
Установка получения гелиевого концентрата, этановой фракции и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) из природного газа введена в эксплуатацию в 1984 г. и входит в состав II очереди гелиевого завода ООО «Газпром добыча Оренбург».
Дата поступления 05.07.12
Existing design of the plant does not permit to produce efficient enough cooling power during expansion of high pressure methane fraction in the turbo-expander under variable conditions of the process progress. It is conditioned by significant load variations and highly variable composition of raw gas supplied to the plant. To create such conditions as to ensure that the efficiency of the turbo-expander plant will not deviate significantly from maximum value, it is necessary to install two or more turbine units operating in parallel.
Key words: helium plant; natural gas; ethane fraction; light ends; turbo-expander; high pressure methane fraction.
Сырьем установки является природный газ, очищенный от сераорганических соединений и осушенный до точки росы (—70 0С).
Выделение гелиевого концентрата из газа осуществляется путем его низкотемпературной конденсации в сочетании со ступенчатым последовательным обогащением газа гелием в ап-
паратах Е-13/1,2, К-1, К-2, К-3 до содержания 0.065, 0.55, 5.5 и >80% соответственно 1'2.
Охлаждение и конденсация природного газа осуществляется за счет рекуперации холода обратных потоков метановой фракции, использования внутренней энергии перерабатываемого газа (дросселирование и детандирова-ние обратных потоков), а также использования холода внешних холодильных циклов — пропанового и азотного 3.
Внешним источником тепла является насыщенный водяной пар, подаваемый при давлении 6 кгс/см2 и температуре 164 0С.
С куба первой отпарной колонны К-1 выводится метановая фракция высокого давления (МФВД), одна часть которой направляется в теплообменники для охлаждения поступившего на установку природного газа, а другая — через теплообменник поступает на разделение в сепаратор третьей ступени. Газовая фаза из сепаратора объединяется с верхним продуктом укрепляющей секции деметанизатора К-4г и поступает на расширение в турбодетандер тур-бодетандерного агрегата. Далее этот поток (метановая фракция среднего давления), проходя через теплообменники и объединившись с обратным потоком метановой фракции куба первой отпарной колонны после рекуперации холода в теплообменниках, сжимается турбокомпрессором турбодетандерного агрегата и выводится с установки. Жидкость из сепаратора третьей ступени подается на орошение деметанизатора.
В деметанизаторе путем ректификации выделяется метановая фракция в качестве дистиллята и фракция углеводородов С2+ в качестве кубового остатка деметанизатора. Кубовый остаток деметанизатора поступает на разделение в деэтанизатор путем ректификации с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка — ШФЛУ.
Недостатком является то, что существующая конструкция установки при изменяющихся условиях протекания технологического процесса не позволяет получать достаточно высокую холодопроизводительность в процессе расширения в турбодетандере метановой фракции высокого давления, достаточную для снижения температуры природного газа до заданной степени охлаждения и конденсации. Это обусловлено тем, что значительные отклонения нагрузки по сырьевому газу, подаваемому на установку, от номинальной проектной приводят к снижению или увеличению количества МФВД, участвующей в процессе детандирова-ния, что соответственно приводит к резкому
снижению до 30% от максимально-эффективного изоэнтропического КПД турбодетандер-ного агрегата и, следовательно, к снижению его холодопроизводительности. В результате эффективность установки по выработке целевых продуктов (метана, этана, ШФЛУ, гелиевого концентрата) существенно падает.
Технологическая экспериментальная часть
Задачей нашей работы является повышение эффективности работы установки путем обеспечения незначительных колебаний КПД турбодетандерного агрегата от максимально-возможных значений при широком диапазоне изменений нагрузки на агрегат. Решается она путем установки двух или более параллельно установленных турбинных модуля, число которых определяется в зависимости от объема газа, поступающего в турбодетандер.
Выбор количества турбинных модулей осуществляется в зависимости от интервала возможных загрузок установки и соответственно количества МФВД, поступающей на детандирование, а также от интервала приемлемых загрузок модулей турбодетандерного агрегата, при котором достигается их максимальный изоэнтропийный КПД.
На рис. 1 представлена блок-схема предлагаемой установки низкотемпературного разделения углеводородного газа.
Природный газ, предварительно осушенный и очищенный от сернистых соединений и углекислоты на предыдущих установках, поступает на установку по трубопроводу 1 в блок предварительного охлаждения газа. Поток газа проходит последовательно теплообменник 2, пропановый испаритель 3, где происходит его предварительное охлаждение и частичная конденсация за счет холода обратного потока метановой фракции среднего давления (МФСД) и кипящего пропана, затем попадает в сепаратор первой ступени 4 для отделения жидкой фазы.
Выделившаяся жидкая фаза выводится из сепаратора 4 и направляется на питание в де-метанизатор 16, а газовая фаза поступает сначала в теплообменник 5 блока конденсации и охлаждения газа на дальнейшее охлаждение и конденсацию и далее в сепаратор второй ступени 8. Жидкость из сепаратора 8 дросселируется в сепаратор 9 с тем, чтобы образовавшиеся при этом пары, содержащие гелий, поступили в первую отпарную колонну 11 в качестве
Рис. 1. Блок-схема установки низкотемпературного разделения углеводородного газа
стриппинг-газа, а оставшаяся жидкость — в де-метанизатор 16 в качестве питания. Паровая фаза из сепаратора 8 направляется на полную конденсацию в теплообменники 6, 7, по выходу из которых поток переохлажденной жидкости дросселируется в первую отпарную колонну 11, откуда отпаренный газ, обогащенный гелием, поступает во вторую отпарную колонну 12 и далее в блок получения гелиевого концентрата 19.
С куба отпарной колонны 11 выводится метановая фракция высокого давления, часть которой, частично испаряясь в теплообменнике 6, поступает на разделение в сепаратор третьей ступени 10, откуда жидкость подается на первую тарелку деметанизатора 16 в качестве основной флегмы. Паровая фаза из сепаратора 10 смешивается с МФВД с верха деметаниза-тора 16, затем объединенный поток поступает на расширение в турбодетандеры 14 каждого или части модулей турбодетандерного агрегата 13. Перераспределение газового потока между модулями осуществляется последовательным открытием или закрытием регулирующих клапанов (на чертеже не показаны), подающих газ к турбодетандерам определенных модулей.
Количество участвующих в процессе модулей зависит от расхода МФВД, поступающей на расширение в турбодетандеры. Так, если расход МФВД превышает номинальное расчетное значение турбодетандера 14 более, чем на 25%, то необходимо задействовать турбодетандер 14 следующего модуля турбодетандерного агрегата 13. В случае же снижения расхода МФВД турбодетандеры будут поочередно исключаться из процесса путем соответствующего открывания и закрывания регулирующих вентилей. Расширенная метановая фракция объединенным потоком проходит через теплообменники 5 и 2, охлаждая потоки поступившего на установку природного газа.
Оставшаяся часть кубовой жидкости от-парной колонны 11 дросселируется и после рекуперации холода в теплообменниках 7, 6, 5, 2 объединяется с потоком метановой фракции после расширения, компримируется в турбокомпрессоре 15 турбодетандерного агрегата 13 и выводится с установки. В деметанизаторе 16, 17 осуществляется ректификация смеси углеводородов с получением метановой фракции в качестве дистиллята и фракции углеводородов С2+ в качестве кубового остатка, отводимо-
го на ректификацию в деэтанизатор 18 с получением в качестве дистиллята этановой фракции, а в качестве кубового остатка — широкой фракции легких углеводородов.
Обсуждение результатов
Результат, получаемый за счет того, что турбодетандерный агрегат содержит два или более параллельно установленных турбинных модуля, состоит в обеспечении возможности регулирования режима работы турбодетандер-ного агрегата в условиях переменной нагрузки путем перераспределения поступающей на расширение МФВД между модулями таким образом, чтобы турбодетандер каждого модуля работал в режиме максимально возможной эффективной производительности с целью достижения наименьшей температуры МФСД на выходе из турбодетандерных модулей при заданной общей степени расширения в целом. Это позволяет увеличить эффективность использования турбодетандерного агрегата в 1.25—1.3 раза за счет его более эффективной (работа при высоком значении изоэнтропичес-
кого КПД) работы в условиях не только номинальных, но и переменных загрузок установки, снизить удельные энергетические затраты в целом на единицу продукции и увеличить производительность установки по выработке целевых продуктов.
Таким образом, использование предлагаемого решения позволяет расширить интервал допустимых нагрузок на турбодетандерный агрегат в пределах ±25% от проектных значений с сохранением максимального значения изоэнтропийного КПД в диапазоне 75—85 % и, соответственно, максимального количества вырабатываемого при этом низкотемпературного холода.
Литература
1. Столыпин В. И., Шахов А. Д., Столыпин Е. В., Мнушкин И. Б. //Химическое и нефтяное машиностроение.— 2006.— №4.— С.15.
2. Столыпин В. И., Шахов А. Д., Столыпин Е. В., Мнушкин И. А. // Газовая промышленность.-2007.- №2.- С.32.
3. Хабибуллин Р. Р., Пантелеев Д. В., Сыркин А. М. // Баш. хим. ж.- Уфа, 2012.- Т.19, №1.-С. 116.
