Мониторинг процессов движения газожидкостных смесей в установках подготовки газа к дальнему транспорту Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТРАНСПОРТИРОВКА

удк 622.279.23/.4

М.л. карнаухов, в.Ф. кобычев

Рецензент - в.н. Маслов, д.г-м.н., первый заместитель генерального директора ОАО ТюменНИИгипрогаза

Мониторинг процессов движения газожидкостных смесей в установках подготовки газа к дальнему транспорту

Себестоимость газа существенно зависит от качества его сбора и подготовки к дальнему транспорту. Газ, как и любое добываемое углеводородное сырье, представляет собой многофазную многоком-понентную смесь. Формирование многофазной смеси начинается в пласте, затем продолжается при движение в скважине, в элементах системы сбора и подготовки и в магистральном трубопроводе в результате изменения термобарических условий, а также геометрических размеров аппаратов, через которые движется смесь.

Если эти изменения происходят достаточно медленно по сравнению с временем установления в системе фазового равновесия, то в этом случае движение смеси происходит в условиях термодинамического равновесия. Это значит, что зная исходный компонентный состав смеси, давление и температуру можно на основе уравнения фазового равновесия определить удельные объемы и компонентный состав фаз. При отсутствии в системе фазового и динамического равновесия необходимо учитывать кинетические особенности процесса. Так, при рассмотрении движения смесей на всем пути следования в различных узлах и аппаратах (в дросселе, теплообменнике, сепараторе, абсорбере, турбодетандере и т.д.), где существенно изменяются условия течения, нарушается равновесие системы. При этом происходит образование капель и пузырьков и их дальнейший рост в результате межфазного массо-обмена (испарения, конденсации). Взаимодействие капель, пузырьков и других образований приводит к коагуляции, коалесценции и дроблению.

На пути следования от пласта до магистрального трубопровода газ претер-

певает существенное изменение по составу прежде всего по наличию в нем различных побочных инградиен-тов (рис. 1). В магистральный трубопровод (МГ) газ должен поступать существенно очищенным от этих ингра-диентов. То есть иметь минимальный объем жидкой фазы, так как полностью избавиться от водной (фазы, находящейся в парообразном состоянии , практически невозможно. Обычно тре-

буется доб иться состояния, когда доля побочных инградиентов на выходе пункта подготовк и должна не превышать по объему 1 0-15 г/тыс. м3 .

При п оступлен ии из пла ста на поверхность газом увлекается вода общим объемом (долей), составляющей до 3000-5000 г/тыс.м3. Кроме того, на этом маршруте в газовую смесь попадает еще до 300 г/тыс.м3 метанола, который закачивается в скважину для

скважина газопровод

ВМР 2000-5000 г/тыс.м3

метанол 300 г/тыс.м3

МГ

Вода 3000-5000 г/тыс.м3

дроссель

ВМР 3000-5000 г/тыс.м3, конденсат 100 г/тыс.м3

пробко-уловитель

ВМР

3000-5000

г/тыс.м3,

конденсат

100 г/тыс.м3

I

ВМР до 100 г/тыс.м3. конденсат до50г/тыс.м3

ДЭГ до 4 г/тыс.м3, конденсат до 10 г/тыс.м3

абсорбер

ВМР 100 г/тыс.м3, конденсат 10 г/тыс.м3

ВМР до 4500 г/тыс.м3, конденсат до 70 г/тыс.м3 ВМР до 150 г/тыс.м конденсат до 40 г/тыс.м3

Рис. 1. Схема распределения жидкой фазы при подготовке газа к транспорту

Таблица 1

Номер нитки

7 9 10 11 12 Режим

норма норма норма норма норма норма

норма-30 норма-15 норма норма+15 норма+30 откл+1

норма-60 норма-30 норма норма+30 норма+60 откл+2

норма-100 норма-50 норма норма+50 норма+100 откл+3

профилактики (предупреждения) газообразования. В установках подготовки газа и газоконденсата происходит разделение фаз и выделение (извлечение) различных компонентов из газовой или жидкой смесей.

Таким образом, в систему промысловых трубопроводов газ поступает имея в своем составе в 100 раз большую долю инградиентов по отношению к нормативной доле, требуемой для транспорта газа по магистральному трубопровод к потребителям.

Особенности происходящих процессов в аппаратах основного оборудования УКПГ рассмотрены на примере коллекторного способа прокладки трубопровода, где происходят основные процессы очистки газа.

Анализ данных по ГП-3С Заполярного НГКМ за период с апреля 2005 по май 2007 г. показал, что основная часть уносов, превышающая показатель 20 г/тыс. м3 , происходит при нагрузке на сепаратор до 200 г/тыс. м3 (54,5%). На рис. 2 представлен график распреде-

ления уносов из сепараторов от жидкостной нагрузки.

В процессе эксплуатации установок Заполярного месторождения выявлен факт неравномерной нагрузки по жидкой фазе при одинаковом расходе газа на технологическую нитку (рис. 3). Для выявления особенностей функционирования оборудования установки, распределения жидкой фазы при движении по подводящему коллектору был выполнен анализ основных параметров, характеризующих работу оборудования.

В результате выявлено, что на эффективность работы сепарационного оборудования существенно влияют следующие факторы:

• надежность и достаточность ингиби-

рования гидратообразования системы скважина - УКПГ;

• парциальность выноса в сепараци-онную установку жидкости, определяемую гидравлическим режимом шлейфов и коллекторов;

• распределение газа и жидкости по отдельным аппаратам, обвязанным по коллекторным схемам;

• надежность и эффективность автоматики сброса жидкости из сепараторов.

Таким образом, проблемными вопросами, связанными с динамикой эксплуатации промысла, являются:

• определение фактической эффективной производительности оборудования в «проектных» и «непроектных режимах»;

ЧЕЛЯБИНСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОД

454119, (".Челябинск, _=

Колейское шоссе, 38. /Гм

Тел.: [351} 259-93-05, {351)259-93-31 е-шаіі: зйер @ cmi.ru л у.

www.cmz.ru _ /

/// 77

ПРОИЗВОДСТВО И ПРОДАЖА

КРАНЫ ГУСЕНИЧНЫЕ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ДЗК-251 (г/п га т), ДЗК-Э21 |г/г 32 т} ДЗК-Э61 (г/п 361), ПЭК-401 1Г/П 40 т) ДЭК-631 А (ГЛ163 т}

КРАНЫ АВТОМОБИЛЬНЫЕ

КС-45721 "ЧелнЬкнец- г/п 25 т на шасси УРАЛ, КАМАЗ. МАЗ КС'55730 "Челябинец^ г/п 32 т на шти МАЗ-В30303 (6л4) КС-65711 хЧелябнмеЧ'' г/п 40 т на шасси ¥РАЛ-6361Э5 |6*4]

на правах рекламы

ігі^ДІ^иІїЛгЗГ ИРОВКА

Нагрузка лнивэспс, і

Рис. 2. График зависимости уносов из сепаратора от жидкостной нагрузки.

• поиск средств реагирования на динамично изменяющие факторы -пластовую воду, соли, масло, продукты деструкции гликоля, техническое состояние оборудования.

Полная жидкостная нагрузка на технологическую нитку определялась по данным жидкостной нагрузки на сепаратор; количеству отсепарируемой жидкости; уносу капельной жидкости с газом из сепаратора; степени насыщение гликоля в абсорбере; химическому анализу ВМР и нДЭГа.

Графики зависимостей количества влаги от капельного уноса из сепаратора (рис.4) построены по данным вла-госодержания газа на входе и выходе из абсо рбера.

Для определения уноса из сепаратора необходимо отобрать РДЭГ и Н ДЭГ в местах отбора тех технологических ниток, где имеются прямые или косвенные данные о не проектных уносах. Например, фиксирование не характерной для технологической нитки жидкостной нагрузки.

0.2 75

По отобранным пробам химанализом устанавливается степень насыщения РДЭГа и НДЭГа водой; степень насыщения НДЭГа метанолом.

По известному количеству ДЭГа и воды в РДЭГе, процентному соотношение ДЭГа, метанола и воды определяется содержание водомета-нольного раствора в насыщенном ДЭГа. Затем определяется насыщение НДЭГа водометанольным раствором. Зная влагосодержани е на входе и выходе из абсорбера, расход

1000

распределение жидкости по аппаратам при одинаковой нагрузке по газу. Разница в нагрузке по жидкости на отдельные сепараторы отличается до 20 раз (от 0,5 м3/сут до 10 м3/сут), что вызывает опасность проскока жидкой фазы в абсорбер при переходе в пробковый режим. Анализируя работу пробкоуловителя 10Е-1/1,2 было отмечено, что данный аппарат при линейной скорости выше 10 м/с (расход на одну т.н. равен 450 тыс.м3/ч) практи-

■ Содержание конденсата

4 5 7 10

№ технологической нитки Рис. 3. Работа сепараторов (2007 год, июль)

газа через технологическую нитку и объем воды в Н ДЭГ, определяется капельный унос из сепаратора.

Од ним из факторов влияющих на общий коэффициент сепарации является равномер н ое распр еделение газожидкостного потока по технологическим ниткам. В процессе эксплуатации установки было отмечено неравномерное

Л

Н

І-І

И

о

м 0>

Й я £ ° о

Н

_о —1 -О

-о—'

- О-1 о- '° 1

Ї •- о о о о — О о — — ® * — -* *— о о -* *— -о

0,1 В 0.1 34 0.! 35 0.[ )о ОД ) " 0,1 38 0,1 № о.] ю

0.225 0,175 0.125 0.0 75 и 0.025

и,из

К'тельН'1я.ы1дко<ть. кгтьн.ы^ Рис. 4. Зависимость влагосодержания на входе и выходе в абсорбер от нагрузки по капельной влаги

чески перестает работать, т.е. жидкость не скапливается. Это свидетельствует о том, что процесс конденсации после КРД с у величением расхода газа «удлиняется». Перетока по жидкости между ЗПА (по коллектору сырого газа) при условии, что расход по цехам равен, не обнаружен, суммарное количество жидкости пропорционально распределено между цехами осушки. Исследования выполнялись на У КП Г -ЗС (поз. 4) в период с 19.06.07 -08.07.07г. В работе были задействованы 5 технологических ниток (7, 9-12); 8 ТН во время проведения исследований находилась в резерве. Исследования проходили на четырех различных режимах по схеме (см. табл. 1). При обследовании цеха определялись следующие показатели: расход газа на технологической нитке; нагрузка по жидкости на технологической нитке; капельный унос жидкости с газом из сепаратора 20С-1; определение состава жидкости на в ходе в сепаратор 20С-1

(концентрация метанола в ВМР и доля конденсата); расход рДЭГа на абсорбер (данные по счетчику); определение состава нДЭГа на выходе из абсорбера 20А-1 (концентрация воды, водородный показатель); количество жидкости, отделяемое в фильтрующей секции абсорбера 20А-1 (определяется выборочно на двух абсорберах при различных режимах); расход рефлекса (данные по счетчику); количество водо-метаноль-ного раствора переданного на ГП-1С (данные по счетчику) и т.д.

В результате выполненных экспериментов установлено, техническая возможность поддержания заданного расхода автоматическим образом с помощью клапана-регулятора расхода газа позволяет выдерживать заданный параметр с погрешностью до 1%, при достаточно сильной инерционности системы. Расхождение давлений и температур при различных расходах газа на одном режиме закономерны (закон сохранения энергии) и при достаточном запасе

энергии пласта вполне позволяют регулировать расходы вплоть до расхождений в диапазоне до 300 тыс. м3/ч, при данном значение ДР составит 0,7-1,0 кгс/см2.

Анализ данных по подаче метанола и количества поступившей жидкости за период проведения исследований показал, что концентрация метанола в газожидкостном потоке не превышала 20 % масс.

Установлено следующее:

• распределение конденсата (для любых расхода газа) не пропорционален содержанию ВМР;

• в процессе движения газожидкостного потока происходит его расслоение по фазам: до 60% конденсата успевает за счет разности плотностей выделиться;

• распределение углеводородного конденсата обратно пропорционально распределению ВМР по технологическим ниткам;

• процесс распределения углеводо-

родного конденсата выглядит следующим образом - расслоенный поток (имеем трехфазную систему, распределенную по плотностям) подходит к первой точке отбора из подводящего коллектора (в нашем случае 7 ТН), и так как слой ВМР частично перекрывает проходное сечение на 7 ТН, то практически полностью увлекается вместе с газовым потоком. Частично попадает конденсат, в основном в виде эмульсии ВМР+ конденсат. Основную часть ВМР (до 80-85%) забрал на себя первый по ходу газа аппарат, далее слой ВМР уменьшился и совместно с увлекаемым газовым потоком уходит на нитку углеводородный конденсат в сконденсированном и дисперсном виде. На основе данных о распределении жидкостной фазы между технологическими нитками можно сделать следующие выводы. Газожидкостный поток, подходящий к цеху осушки газа представляет собой двухфазную си-

241031, г. Брянск, бульвар Щорса, 7; тел/факс: +7(4632) 58-18-26; 26-3Q-00;

e-mail: [email protected]; www.irmash.com

на правах рекламы

ТРАНСЯмШШ]/! РОВКА

стему расслоившихся жидкостей во время транспорта. При малой скорости движения смеси, когда поперечный градиент статического давления мал, по сравнению с разностью удельных весов фаз, происходит расслоение жидкости;

• при изменении расхода газа, характер распределения газовой и жидкой фазы сохраняется, лишь с незначительным отклонением, связанным с перераспределением градиента скоростей, разницей напряженности градиентно-скоростного поля на границе раздела фаз. Различие у фаз обуславливается разностью плотностей, вязкостью и, как следствие, разными градиентами скоростей. Распределить жидкостную нагрузку между технологическими нитками можно, если выдержать следующие условия: минимизировать расстояния между нитками и соответственно увеличить на этомучастк е градиенты скоростей жидкой и газовой фаз,т.е. на соседних технологических нитках установить максимально возможную разн ицу в расходе газа .

Процесс конденсации и последующая коагуляции не устанавливается в той зоне, где при конденсации жидкости последняя поступала в пробкоулови -тель. В то же вре мя замечено, что при увеличения отборов газа до максимальных значений 100-120 млн.м3 газа

а)

№ технологической нитки норма : б) откл +1 : в) откл +2 : г) -п- откл +3.

Рис. 5. Распределение конденсата по технологическим ниткам 1 20

н

г:

Рч

<

2002 200

Рис. 6. Содержание углеводородного конденсата в зависимости от дроссель-эффекта

в пробкоуловители жидкость прекращает поступать. Последнее свидетельствует о том, что при высоких расходах расслоение смеси не происходит.

Замечено, что содержания выносимого углеводородного конденсата существенно зависит от характера дросселирования - дроссель - эффекта (рис. 6).

2006 2007

800

600

и

я 400

Ь 200 О

Релдім 3

1800

1400

1000

600

200

Режим 4

тыс. м-5 /час

337 I 369 400 I 425 I 455 [тыс.м^/час 301 354 404 450 455

7 | 9 Ю | 11 1 12 | 7 | 9 I Ю 11 12

№ технологической нитки № технологической нитки

■ Содержание конденсата □ ВМР ■ Унос из сепаратора Рис. 7. Распределение количества поступающего конденсата, ВМР и у носа из сепаратора по технологиче ским ниткам

По характеру работы сепарационного обо рудования можно сделать предположение о расслоенном течении смеси уже в коллекторе сырого газа, начиная с дросселя и заканчивая сепарацион-ным оборудованием. Не исключено формирование перехода расслоенного режима течения в пробковый. Исследования на пяти технологических нитках, расположенных в одном цеху осушки газа и имеющих общий питаю-щ ий коллектор. Для выявления зависимости содержания углеводородн ого конденсата от количества поступающего газа на каждую технологическую нитку система автоматичес кого регулирования работы УКПГ была настроена на различные режимы загрузки газом отдельных технологических ниток. Всего было проведено исследования на четырех различных режимах: на первой нитке постепенно расход газа снижался, тогда как на последней - повышался, градиент по расходу газа составил на последнем режиме 200 тыс.м3/час.

На рис. 7 приведены зависимости количества поступающего конденсата, содержания ВМР и уноса из сепаратора.

На первом режиме при одинаковой нагрузке по газу распределение конденсата носит идентичный характер, исключением является 7 технологическая нитка (содержание конденсат составляет 3,3%).

При достижении разности в расходе газа (7 т.н. 300 тыс.м3/час, 12 т.н. 500 тыс. м3/час) имеет место монотонное увеличение углеводородного конденсата по отношению к ВМР.

В целом выполненные исследования по загрузке различных технологических ниток в системе подготовки газа к транспорту показали о существенно неравномерном выходе жидкостной фазы в сепараторах и соответственно неравномерной

загрузке абсорберов насыщенными смесями, а также неравномерной по насыщенности растворов гликолей в системе регенерации позволили наметить рациональный режим управления технологическими нитками, регулируя их

нагрузку (различным расходом газа), адресным направлением гликоля в соответствующие абсорберы в зависимости от насыщенности поступающего в них газа и осуществления других мероприятий.

АРМ ГАРАНТ

Электроприводы ЭВИМТА для задвижек Ду 50 - 1200 мм ПНбВМОПрИВОДЫ ПСДС для шаровых кранов Ду 300 -1000 мм

Монтажные, пуско-наладочные, ремонтные работы

на объектах нефтегазового комплекса

450059, г. Уфа, ул. Р. Зорге, 35 тел./факс: (347) 223-74-15, 223-74-17 е-таіі: [email protected]