Разработка и совершенствование технологических решений по повышению эксплуатационных показателей оборудования для промысловой подготовки газа

На правах рукописи

Литра Алексей Николаевич

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ ГАЗА

Специальность: 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений;

05.02.13 –Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Краснодар - 2010

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете (КубГТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кунина Полина Семёновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бекетов Сергей Борисович

кандидат технических наук

Бойко Сергей Иванович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество
научно-производственное объединение
ОАО «НПО «Промавтоматика»

Защита состоится 29 апреля 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд.94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

.

Автореферат разослан «25 » марта 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДМ 212.100.08

кандидат химических наук, доцент Г.Г. Попова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсификация производств нефтегазовой отрасли характеризуется увеличением выпуска конечного продукта, которая достигается как за счет роста скоростей разделения гетерогенных смесей, температуры и давления (параметров технологического процесса), так и за счет разработки и применения принципиально новых аппаратов, технологий и воздействий на ход технологических процессов. Поэтому современные технологические процессы должны быть непрерывными и протекать с большими скоростями при условии обеспечения эффективности и комплексного использования сырья и энергии с наименьшими потерями. Актуальным, с точки зрения исключения возможности загрязнения окружающей среды, является необходимость повышения эффективности процессов за счет уменьшения рабочего времени на получение единицы продукции и снижения материальных и энергетических затрат при улучшении качества промысловой подготовки газа. Широкие возможности для интенсификации ряда существующих процессов создает применение аппаратов, работающих на основе центробежных сил. Поэтому расширение области применения и повышения эффективности центробежно-вихревых устройств (центробежных сепараторов) является одним из острых проблем внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий и защиты окружающей среды от вредных промышленных газовых выбросов.

Целью работы является совершенствование технологических решений по промысловой подготовке попутного и природного газа путем развития теории разделения газожидкостных смесей в сепарационных установках.

Задачи исследования

1. На основании анализа существующих методов разделения газожидкостных смесей определить наиболее приемлемый вариант элемента для завихрения потока газа в сепараторе, предназначенного для использования непосредственно на промыслах в составе малогабаритных, блочных и комплексных установок подготовки газа.

2. Изучить характер процесса прохождения газожидкостных смесей в прямоточном центробежном элементе, выполнить моделирование процесса, установить зависимости, позволяющие осуществить разработку его рациональной конструкции.

3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования полей скоростей и давлений потоков газ-жидкость, газ - жидкость - механические примеси в прямоточных центробежных элементах, позволяющие судить об эффективности процесса сепарации.

4. Разработать общие методы определения основных конструктивных параметров прямоточного центробежного элемента, от которых зависят качественные показатели процесса разделения газожидкостных смесей.

5. Разработать инженерные методы расчета сепараторов с прямоточными центробежными элементами с учетом явления вторичного уноса и рассеивания капель жидкости.

Научная новизна

1. Выполнены компьютерные исследования для оценки степени достижения поставленной цели, проверено соответствие полученных результатов с экспериментальными, прогнозируются рациональные области применения разработанных методик и конструкций.

2. Разработаны методы оптимизации режимов работы сепараторов с прямоточными центробежными элементами на основе вероятностно-статистических методов с применением алгоритмов ANSYS и получены решения для создания приближенных аналитических моделей.

3. Разработана гидродинамическая модель процесса поступления газожидкостной смеси в сепаратор. Установлены основные факторы и закономерности, влияющие на унос жидкости из сепаратора, позволившие разработать оригинальную конструкцию прямоточного центробежного элемента, обеспечивающего высокую эффективность при малых потерях. На разработанную конструкцию получен патент РФ.

4. Разработаны универсальные методика и программа расчёта эффективности первичного и вторичного осаждения капель жидкости на внутреннюю поверхность прямоточного центробежного элемента.

5. В рамках теории закрученных потоков получен оптимальный угол завихрения газо-жидкостного потока в тангенциальном завихрителе для прямоточного центробежного элемента.

Практическая ценность работы

По результатам исследований автором предложены методики математического и технологического расчетов вновь разрабатываемых и моделируемых составных частей конструкции центробежных сепараторов для конкретных условий эксплуатации. Методики апробированы, разработанные конструкции прямоточных центробежных элементов изготовлены и внедрены на объектах ОАО «Газпром» и ОАО «Роснефть». По результатам аналитических исследований и анализу существующих математических моделей составлена и запрограммирована методика технологического расчета, разработаны принципиальные конструктивные формы прямоточных центробежных элементов, рассчитаны по методикам их геометрические параметры, изготовлены и внедрены в производство. Аппараты прошли межведомственные испытания.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на IV международной научно- практической конференции «Ашировские чтения», 14-15 октября 2008 года, г. Самара, Самарский технический университет; IV Ежегодной региональной отраслевой научно-технической конференции «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г.Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика»; Практической конференции «Применение продуктов ANSYS и IOSO для решения инженерных задач» (ANSYS ICEM CFD Tetra/Prism and ANSYS CFX 07-09.07.2008).

Публикации результатов. Основное содержание диссертационной работы изложено в 5 печатных работах, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ. Получен 1 патент и 2 положительных решения, поданы две заявки в ФИПС.

Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников (107 наименований). Работа изложена на 189стр. машинописного текста, содержит 5 таблиц, 84 рисунка и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность.

В первой главе представлен аналитический обзор существующих сепараторов, их видов, конструктивных исполнений и характеристик, отвечающих за эффективность.

На сегодняшний день одной из наиболее важных проблем успешного развития нефтегазовой отрасли является снижение потребления энергии и ресурсов на базе высокоэффективных технологий, решающих одновременно с этим и экологические проблемы. Решение этих проблем достигается применением более совершенных процессов и оборудования, позволяющих снижать материальные затраты на добычу, подготовку и переработку природного и попутного газа. Известно, что производительность добывающих и перерабатывающих нефтяных и газовых предприятий существенно изменяется во времени. Это связанно не только с колебаниями, регулирующими добычу углеводородных продуктов, но и с изменением режимных параметров оборудования, т.е. колебаний по расходам, давлениям, компонентному составу углеводородного сырья, соотношения жидкой и газовой фаз и т.д. В промысловых системах сбора и подготовки газа (попутного или природного) сепарация применяется для очистки газа. Эксплуатируемая сепарационная техника обеспечивает эффективное разделение гетерогенных смесей при незначительных отклонениях (порядка ±10 - 15%) технологических параметров (давление, расход), заложенных при ее проектировании. При более значительных, отклонениях параметров эффективность сепарационной техники заметно снижается. На нынешнем этапе разработки месторождений, наиболее актуальны мобильные, малогабаритные передвижные установки позволяющие обеспечивать работу аппарата в широком диапазоне параметров и режимных факторов. Известно большое количество различных типов конструкций сепарационной техники, которые можно классифицировать по основным функциональным и конструктивным признакам (рисунок 1).В настоящее время для оценки добычи газа при промысловой обработке газоконденсатной смеси с помощью технологий с применением сепараторов (НТС, и т.д.) проводятся термодинамические расчеты парожидкостного разделения этой смеси при давлениях и температурах, обеспечивающих максимальное извлечение конденсата из газа. Принимается, что эти значения давлений и температур реализуются в сепараторах, а расчет процесса разделения проводится по схеме контактной конденсации при соблюдении условий термодинамического равновесия между газовой и жидкой фазами. Если известны данные о коэффициентах уноса жидкости с газовым потоком из сепаратора, то они учитываются в расчетах количества выделившейся в сепараторе жидкости. Однако, в действительности в сепараторах происходит в основном только осаждение под действием сил гравитации и инерции капель жидкости, образовавшихся ранее в подводящем трубопроводе, соединяющем устье скважины и сепаратор, и устройствах предварительной конденсации. Причем, газоконденсатная смесь, поступающая из скважины, движется в подводящем трубопроводе, в двухфазном состоянии.

Жидкая фаза, содержащаяся в потоке, в виде капель разной дисперсности, взвешенных в турбулентном потоке газа, а также в виде тонкой пленки, движущейся по поверхности трубы под действием внешнего потока газа. В процессе движения газожидкостной смеси между взвешенными каплями и пленкой жидкости происходит непрерывный массообмен. Часть капель под действием силы тяжести и поперечных турбулентных пульсаций осаждается

на поверхности трубы. Одновременно с поверхности жидкой пленки в результате потери устойчивости под влиянием потока газа срываются капли и попадают в газовый поток.

Рисунок 1 - Классификация сепараторов по основным функциональным и конструктивным признакам

Для оценки эффективности обычно используют коэффициент эффективности работы сепаратора, представляющий собой отношение количества жидкой фазы осевшей в сепараторе, к количеству жидкой фазы, содержащейся в газовом потоке на входе в сепаратор; =Qос/Qвх, где Qос - количество жидкой фазы, осевшее в сепараторе, см3; Qвх -количество жидкой фазы, содержащееся в газовом потоке на выходе из сепаратора, см3. В этом случае не учитывается жидкая фаза, поступающая в сепаратор в виде пленки, которая, как уже отмечалось, практически вся оседает в сепараторе. Поэтому без учета жидкой пленки определяется несколько заниженная величина. На величину оказывает большое влияние формирование дисперсной фазы в подводящем трубопроводе и образование новых капель в устройствах предварительной конденсации. Повышение эффективности может быть достигнуто как за счет оборудования сепаратора концевой секцией, состоящей из элементов, улавливающих не осевшие в сепараторе мелкие капли, так и за счет образования и укрупнения капель в газовом потоке, поступающем в сепаратор. Таким образом, на эффективность сепарации оказывают влияние процессы, происходящие как в подводящем трубопроводе и устройствах предварительной конденсации, так и в самом сепараторе. Осаждение капель жидкости в гравитационном сепараторе происходит в основном за счет действия гравитационных сил. Эффективность разделения газожидкостного потока в гравитационных сепараторах тем выше, чем больше размер капель жидкости в газовом потоке и ниже скорость самого потока в сепараторе. Поэтому при больших объемах добычи газа и преобладающем осаждении крупных капель при движении газо-жидкостного потока в промысловом коллекторе трудно добиться высокой эффективности работы гравитационных сепараторов, она редко превышает 70-85%. При этом обеспечивается отделение в основном крупнодисперсных капель жидкости (более 80-200 мкм). В инерционных сепараторах отделение жидкости от газа происходит за счет действия преимущественно сил инерции, выраженных в основном центробежными силами. Основным сепарирующим элементом насадочных инерционных сепараторов являются насадки разной конструкции, которые устанавливают чаще всего в секции окончательной очистки газа. Кроме насадок, указанных на рисунке 1, применяют струнные насадки, представляющие собой набор рамок с намотанной на них проволокой диаметром 0,3-0,5 мм. Эффективность насадочных инерционных сепараторов определяется, в основном, конструкциями применяемых насадок, а также расположением их в корпусе сепараторов и может достигать 99,5-99,9% при скоростях газа в 3-7 раз выше скорости газа в гравитационных сепараторах. Это обусловливается большой поверхностью контакта сепарирующих элементов с газожидкостным потоком, которая обеспечивает отделение капель жидкости диаметром не менее 3-5 мкм для сеток и 10-20 мкм для жалюзи. В центробежных сепараторах для преобразования поступательного движения потока во вращательное используют завихритель. Основным преимуществом центробежных сепараторов является высокая рабочая скорость газа в корпусе центробежного элемента. За счет действия центробежных сил из газового потока можно выделить капли жидкости диаметром более 5-15 мкм. Эффективность центробежных сепараторов колеблется от 95 до 99,9%. Для повышения эффективности центробежные сепараторы оснащаются центробежными элементами малого диаметра. Как правило, в паспортных данных выпускаемых сепараторов не приводятся сведения по расходу газа и давлению, при которых будет достигаться наивысшая эффективность их работы. Это затрудняет прогнозирование эффективности работы сепараторов на разных газоконденсатных месторождениях при непрерывно меняющихся термобарических условиях промысловой обработки добываемого газа. Теоретические основы разделения газожидкостных смесей в установках комплексной подготовки газа позволяют в значительной степени решить эту проблему. В таблице 1 приведены данные использования сепарационной техники в зависимости от содержания жидкости или капельной влаги в газе.

Таблица 1 - Область применения аппаратов в зависимости от содержания жидкости и примесей в газовом потоке и режима течения

Тип сепаратора	Пробковые течения	Малое содержание жидкости (<200мг/м3)	Большое содержание жидкости (>200мг/м3)	Крупнодисперсные примеси (d>50мкм)	Мелкодисперсные примеси (d<50мкм)	Туманы и золи
Гравитационные сепараторы	+	-	-	-	-	-
Разделители с тонкослойной насадкой	+	+	+	-	-	-
Жалюзийные сепараторы		+	+	+	-	-
Инерционные сепараторы		+	+	+	-	-
Центробежные сепараторы	+	+	+	+	+	+
Сетчатые сепараторы	-	-	-	+	+	-
Фильтры	-	-	+	+	+	+

Как следует из таблицы 1, наиболее перспективным видом оборудования являются аппараты и устройства, в которых для разделения гетерогенных смесей используются центробежные силы. Однако, их широкому применению в условиях современных систем сбора, подготовки, транспортировки и переработки углеводородного сырья препятствуют несовершенные методы расчетов процесса разделения гетерогенных смесей при колебаниях давления, производительности и т.д., а также отсутствие оптимальных конструкций аппаратов и устройств.

Во второй главе приведены результаты выбора наиболее рациональной конструкции центробежного сепаратора. Основными требованиями, предъявляемыми к любым сепараторам, являются: высокая степень очистки и большая производительность при минимальном расходе энергии, простота конструкции, низкая стоимость изготовления, монтажа и эксплуатации. На рисунке 2 представлена поэлементная классификация центробежных сепараторов.

Рисунок 2 - Классификация центробежных сепараторов

Сравнительный анализ различных способов сепарации и аппаратурных решений показал, что наиболее эффективные, это конструкции, в которых разделение фаз осуществляется в закрученном потоке. Этот принцип был положен в разработку целой серии центробежных многопатрубковых прямоточных сепараторов (элементов), которые при соответствующей организации подвода газа в могут быть использованы как скоростные контактные устройства для очистки газа от пыли или при жидкостной очистке газа. Автор сделал вывод, что для установок промысловой подготовки газа необходимо использовать центробежные сепараторы средней производительности и высокопроизводительные. Такими являются сепараторы с достаточным количеством патрубков на тарелке, т.е. сепараторы с центробежными прямоточными элементами в которых находятся тангенциально – щелевые устройства, с завихряющими лопатками. Из большого выбора способов закрутки потока, и устройств, для осуществления этого процесса, наиболее эффективны, и рациональны, как уже было сказано, тангенциально – щелевые устройства, с завихряющими лопат

ками, установленными под углами от 27,5° до 47,5°, способные обеспечить нужный эффект работы центробежного прямоточного элемента Степень очистки газа с помощью центробежных прямоточных элементов с тангенциально - щелевыми устройствами и завихряющими лопатками высока, но есть определённые недоработки в конструкциях.

Принципиальная конструкция прямоточного центробежного элемента, разработанная автором, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Прямоточный центробежный элемент

Прямоточный центробежный элемент является наиболее интересным в качестве объекта исследования, так как его эффективность улавливания частиц жидкости и механических примесей является высокой по результатам анализа конструкций подобного типа. Представленные автором в этой главе завихряющие устройства показывают, что есть ещё много вариантов улучшить эффективность работы сепараторов с помощью модернизации и рационализации данных конструкций. Проанализировов лучшие варианты устройств, применяемых в сепараторах, автор определил необходимые, для данных условий, детали конструкции от каждого устройства. В итоге был разработан прямоточный центробежный элемент, в котором минимизированы недостатки, и приумножены преимущества по сравнению с другими подобными устройствами. Таким образом, конструкция как завихряющего устройства, так и всего прямоточного центробежного элемента способна обеспечить требуемые показатели эффективности работы данного устройства.

В третьей главе рассмотрена методика расчёта эффективности сепарации в прямоточном центробежном элементе разработанная автором. Представленный алгоритм расчёта эффективности сепарации сорванной с плёнки жидкости способствует оптимизации конструкции прямоточного центробежного элемента. Поскольку считается, что профиль скоростей газа не изменяется по длине прямоточного центробежного элемента, траектории капель одного и того же размера, сорванных с различных участков, пленки подобны. Воспользовавшись этим обстоятельством при расчете коэффициента вторичного осаждения капель автор получил представленные на рисунке 4 схематично изображенные траекторий вторичного осаждения.

Возможность осаждения или уноса капель данного размера со всей поверхности пленки определена соотношениями между длиной зоны осаждения и всей длиной зоны сепарации и между высотой пика траектории и шириной радиального зазора Н.

Рисунок 4 – Схема траекторий вторичного уноса жидкости вследствие динамического срыва с плёнки

Проанализированы различные случаи реализации форм траекторий капель и оценены их вклады в величину уноса жидкости из прямоточного центробежного элемента. По сравнению с длиной траектории , капли определённого размера с длиной зоны сепарации критериальны:

Если , то капли, сорванные с верхнего участка пленки длиной , вновь осядут на пленку и вклада в величину уноса не дадут. Масса сорванных капель в единицу времени, имеющих возможность достичь кольцевой щели, определена фракционной интенсивностью срыва с площади поверхности пленки длиной .

(1)

Если при окажется, что высота пика траектории меньше ширины щели, щелью уловятся все капли, сорванные с участка пленки длиною Величина относительного улова определена как:

(2)

Если высота пика траектории больше ширины щели, то щель улавливает часть жидкости:

(3)

В случае, когда длина траектории больше длины зоны сепарации, имеет возможность участвовать вся сорванная с пленки жидкость. Если , то щелью уловлена вся сорванная жидкость и величина относительного уноса капель данного размера равна:

(4)

Когда же для расчёта улова рассмотрены случаи:

а) , щелью уловлена доля капель;

(5)

б) , щелью уловлена доля капель;

(6)

в) , щелью уловлены все капли - того размера, срывающиеся с плёнки;

(7)

Масса сорванных в единицу времени капель в этих случаях пропорциональна всей поверхности плёнки:

(8)

Суммарный расход сорванных с пленки капель, способных вновь вза­имодействовать с кольцевой щелью, равен:

(9)

Суммарный расход уловленных щелью капель определён через величину:

(10)

Суммарный расход унесённых из аппарата капель в результате срыва жидкости с пленки определён как разница и . Тогда величина коэффициента вторичного уноса сорванной с пленки жидкости определена как:

, (11)

где: (12)

- коэффициент первичного уноса жидкости.

По алгоритму расчёта эффективности вторичного уноса определено количество жидкости, которое вылетело с плёнки, при попадании на нее крупных капель. После вычисления Re пленки и предельной критической скорости газа проверено условие или , констатирующее наличие или отсутствие срыва жидкости с пленки. В работе условие не выполнялось, и автором выполнен расчёт вторичного осаждения:

- вычислена массовая интенсивность срыва;

- найден средний радиус срывающихся с пленки капель;

- определён спектр капель по фракциям с шагом ;

- вычислено значение суммы ;

- определена фракционная интенсивность срыва;

- вычислены траектории частиц до момента их осаждения на пленку;

- найдена длина зоны осаждения;

- рассчитан коэффициент вторичного уноса;

- определён расход жидкости в пленке.

Программа расчета написана на языке VB и реализована на PC machine.

Отладка и проверка работоспособности программы расчета эффективности сепарации, по вторичному уносу, вследствие динамического срыва жидкости с пленки, проводилась при исходных данных для прямоточного центробежного элемента, разработанного автором и представленного во второй главе данной работы. На рисунке 5 показан спектр траекторий, сорванных с пленки капель.

Рисунок 5 - Спектр траек-торий, сорванных с пленки капель

Из-за малой радиальной скорости вылета капель они очень быстро осаждаются на стенку под действием центробежных сил со стороны потока. Траектории сорванных капель пологие и короткие, их длина меньше длины зоны сепарации, а высота пика траекторий меньше ширины зазора, даже будучи сорванными вблизи от выхода, такие капли улавливаются кольцевой щелью. Величина коэффициента вторичного уноса в рассматриваемом случае равна нулю, т.е. вся сорванная жидкость вновь осаждается на пленку и улавливается кольцевой щелью выбранной ширины.

Таким образом, при расчете эффективности прямоточного центробежного элемента, особенно при расчете движения фракции капель малого размера; интенсивно взаимодействующих с газовым потоком (турбулизация и хаотичное перемешивание), и степени влияния конструктивных особенностей прямоточного центробежного элемента требуются экспериментальные данные о структуре газового потока во всех режимах работы прямоточного центробежного элемента. В настоящей работе поставленная задача экспериментального исследования поля скоростей газового потока в прямоточном центробежном элементе с тангенциальным завихрителем с рециркуляцией газа, и создания правдоподобной методики расчета эффективности сепарации по вторичному уносу вследствие динамического срыва жидкости с пленки, часть которой реализована в теоретическом аспекте в данной главе.

В четвёртой главе представлены экспериментальные исследования прямоточного центробежного элемента.

В серии опытов определены размеры и скорости капель, полученных в результате срыва пленки жидкости воздушным потоком. На рисунках 6 - 8 представлены примеры результатов опытов.

На рисунке 6 показана относительная плотность распределения капель по размерам, а на рисунке 7 - интегральное распределение капель по размерам. Из рисунка 8 видно, что кривые относительного распределения капель по размерам имеют явно выраженный максимум, точки хорошо группируются около проведенных кривых, разброс их незначителен.

- Wr=30 м/с; Re1=270;

+ - Wr=40 м/с; Re1=270.

Рисунок 6 – Относительное распределение капель по размерам

Из рисунка 7 видно, что интегральное распределение размеров капель, сходящих с кромки под действием газового потока, близко к распределению капель по размерам в факеле пневматической форсунки.

+ - Wr=40 м/с; Re1=270;

- Wr=30 м/с; Re1=270;

- распределение капель в факеле пневматической форсунке.

Рисунок 7 – Интегральное распределение капель по размерам

На рисунке 8 представлена зависимость продольной скорости капель Wk от диаметра капель dk.

- Wr=30 м/с; Re1=270;

+ - Wr=40 м/с; Re1=270.

Рисунок 8 – Зависи-мость скорости ка-пель Wк от диаметра капель dк.

Видно, что скорость Wk сначала несколько возрастает с увеличением диаметра капель dk, а затем плавно снижается до постоянного значения Wk, которое зависит от скорости газового потока Wг. По результатам проведённых экспериментов, построены графики зависимостей значений расхода газа, сопротивления устройства, и температуры на выходе из устройства от скорости газа на входе в завихритель прямоточного центробежного элемента. Для наглядности и сравнения на рисунках 9, 10 и 11 приведены эти зависимости. На каждом графике представлены замерные точки, одни из которых получены при обработке результатов численного моделирования, другие, полученные при обработке результатов эксперимента на реальной модели.

Рисунок 9 – График зависимости расхода газа от скорости на входе в устройство

Рисунок 10 – График зависимости сопротивления устройства от скорости на входе в устройство

Рисунок 11 –График зависимости температуры на выходе из устройства от скорости на входе в устройство

Представление аппроксимации полиномиальной линией тренда реального эксперимента доказывает сходимость и качество численного моделирования по отношению к реальному эксперименту в пределах от 0,3 – 5%.

В пятой главе представлена практическая реализация результатов исследования. Существующая на настоящий момент технологическая схема установки комплексной подготовки газа и конденсата Ямбургского газоконденсатного месторождения предусматривает подготовку газа газоконденсатных залежей методом низкотемпературной сепарации. При этом осушенный по воде и углеводородам газ подается на вход дожимной компрессорной станции (ДКС) Сеноманской УКПГ, компримируется и обрабатывается совместно с Сеноманским газом методом гликолевой осушки, после чего подается в газопровод внешнего транспорта. Проведенные расчеты показывают, что снижение давления в НТС без заметного уменьшения выхода газового конденсата допустимо до 2,0 МПа. При таком давлении ввод ДКС необходим в 2010 году.

Проблема в реализации такого подхода заключается в том, что при таких давлениях низкотемпературные сепараторы С2.1 и С2.2 не могут пропустить требуемые объемы газа, тем самым понижая эффективность работы аппаратов.

Для решения этой проблемы в сепараторы С2. 1 и С2.2 установлены разработанные автором прямоточные центробежные элементы, обеспечивающие высокую эффективность при широком диапазоне производительностей. Промышленная эксплуатация сепараторов C2.1 и С2.2 на УКПГК Ямбургского газоконденсатного месторождения проводилась при расходе газа от 30 до 58 тыс. нм3/ч, при давлении 4-5МПа и температуре газа минус 25-28 С. Проведённые испытания показали, что при содержании жидкости в газе на входе в сепаратор до 130 г/нм3 – капельный унос не превышает 10 мг/нм3, тем самым, эффективность сепарации газа в аппаратах C2.1 и С2.2 составила 99,98%. Установка прямоточных центробежных элементов в сепараторы C2.1 и С2.2, в значительной степени улучшила очистку газа и практически исключила попадание конденсата, и раствора метанола в поток осушенного газа на ДКС.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В настоящей работе изложены научно-обоснованные разработки направленные на совершенствование оборудования подготовки природного и попутного газа на промыслах, в частности, оптимизации параметров и технологических процессов сепарации и минимизации потерь углеводородного сырья.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. На основании анализа современных представлений о свойствах газожидкостных смесей и методах их разделения в процессах подготовки сырого газа непосредственно на промыслах, определена система требований, предъявляемых к процессам сепарации. Проанализированы особенности и преимущества существующих аппаратов для разделения газожидкостных смесей. Определен наиболее приемлемый тип аппарата для реализации этого процесса в малогабаритных установках подготовки сырого газа на промыслах и УКПГ, а именно центробежный сепаратор с прямоточными центробежными элементами для подачи газа в рабочую зону. Показано, что качественные характеристики процесса и уровень вторичного уноса во многом зависят от рационального выбора конструктивных параметров аппарата и способов турбулизации газожидкостного потока. Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по проблеме подготовки сырого газа на промыслах дает основание утверждать, что в имеющихся публикациях отсутствуют теоретически обоснованные рекомендации по выбору реальных конструктивных параметров центробежного сепаратора с прямоточными центробежными элементами, ввода газа в рабочую зону, и оптимизации технологических режимов процесса.

2. Разработана методика аналитического расчёта эффективности работы прямоточного центробежного элемента, с учётом явлений вторичного уноса с поверхностной плёнки и рассеивания жидкости.

3. Программно и экспериментально исследованы гидрогазодинамические процессы предложенного автором прямоточного центробежного элемента, получены спектры траекторий, сорванных с пленки капель и сопоставлены с полем скоростей и давлений потока, в разных сечениях по высоте элемента, которые были аппроксимированы функциями, и использованы как исходные данные в расчётах эффективности процесса сепарации.

4. Разработана конструкция и получен патент на прямоточный центробежный элемент. Научная новизна технических решений реализованных в данной работе подтверждены изобретениями, полезными моделями и положительными решениями. Проведены промышленные испытания реконструируемых сепараторов с подтверждением их высокоэффективной работы в разных режимах.

5. Установлено, что применение сепараторов с прямоточными центробежными элементами уже на стадии проектировании позволяет сократить капитальные затраты при применении этих аппаратов в 2 – 3 раза, по сравнению с сетчатыми и жалюзийными сепараторами.

6. На установке комплексной подготовки газа и конденсата (УКПГК) газоконденсатных залежей Ямбургского месторождения в сепараторах С2.1 и С2.2 произведена замена внутренних устройств на прямоточные центробежные элементы разработанные автором.

7. Прямоточный центробежный элемент (патент № 78090) был использован в разработке и внедрении целого ряда сепараторов:- СЦМ-1 Блочная сепарационная установка для исследования скважин (ОАО «НПО Промавтоматика»);- Сепаратор Г-1 на ДНС-9 Фёдоровского месторождения НГДУ «Федоровскнефть» (ОАО «Сургутнефтегаз»);- С-201 и С-203 на установке подготовки газа Сладковско-Морозовской группы месторождений (ОАО НК «Роснефть»).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Литра А.Н. Оптимизация конструкций с помощью программных продуктов IV Ежегодная региональная отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г.Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика» С.88-91.
2. Литра А.Н. Расчёт потерь давления в дросселе регулирующего устройства IV Ежегодная региональная отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г.Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика» С.113-119.
3. Литра А.Н.; Бурдыло Е.В. Развитие сепарационного оборудования на примере центробежного прямоточного элемента IV Ежегодная региональная отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы развития автоматизации и механизации процессов добычи, переработки и транспорта газа и газового конденсата» 27-28 марта 2008 года, г.Краснодар, ОАО «НПО Промавтоматика» С.157-161.
4. Литра А.Н., Коновалов И.Л., Ушенин А.В., Корженко М.А. Патент РФ №78090 от 19.05.08 «Прямоточный центробежный элемент».
5. Литра А.Н. Кунина П.С. Павленко П.П. Исследование модели прямоточного центробежного элемента. «Газовая промышленность» №12/639/2009 С. 17-19.