Термодинамический сепаратор и способ подготовки природного газа

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может использоваться в малогабаритных установках подготовки газа. Техническим результатом является достижение требуемого качества подготовленного газа минимальным количеством аппаратов, компактность, уменьшенная металлоемкость, снижение расхода ингибитора гидратообразования. Производят подачу пластового газа во входной щелевой сепаратор с накопительной емкостью, очистку упомянутого газа от механических примесей и капельной влаги в щелевом сепараторе, сбор и частичную дегазацию жидкой фазы в накопительной емкости, последующую подачу газа в термодинамический сепаратор с эжектором. Сепарацию газа осуществляют до заданной глубины осушки для товарного газа. Сепарацию газа осуществляют с одновременным его охлаждением за счет вращения и разгона его потока до скорости, близкой и выше скорости звука, и утилизацией газа, выделившегося в накопительной емкости. На выходе из эжектора обеспечивают температуру газа, превышающую температуру гидратообразования. Установка подготовки газа включает щелевой сепаратор для очистки пластового газа от механических примесей и жидкой фазы, накопительную емкость для сбора и частичной дегазации жидкой фазы, термодинамический сепаратор с эжектором, в сопле которого установлено устройство для закручивания потока газа по тангенциальному направлению, камеру смешения, на вход которой обеспечено эжектирование части газов дегазации из накопительной емкости, диффузор, образующий калиброванный зазор с камерой смешения для отвода жидкой фазы в накопительную емкость. Устройство выполнено с возможностью разгона потока до скорости, близкой и выше скорости звука. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Данное предложение относится к одним из технических решений в области газовой промышленности, а именно к подготовке природного газа до товарных качеств соответствующих ОСТ 51.40-93.

На сегодняшний день по промышленным запасам природного газа Россия занимает одно из ведущих мест в мире, а по разведанным и добыче углеводородного сырья - первое (40% и 30% мировых показателей соответственно). Добыча природного газа в России с 1990 г. практически не снижалась и осталась на уровне 600 млрд м³ в год.

Россия обладает огромнейшими промышленными и разведанными запасами природного газа. Основные их залежи расположены в Западно-Сибирской, Волго-Уральской, Тимано-Печерской нефтегазоносной провинциях, а также в Восточной Сибири, на Северном Кавказе и Дальнем Востоке. Основными регионами по добыче углеводородного сырья стали Ямало-Ненецкий автономный округ. Уральский регион. Волгоградская, Самарская, Саратовская, Астраханская, Оренбургская области, а так же перспективными по запасам и разработке Восточная Сибирь, Дальний Восток, Республика Коми, Архангельская область, Ненецкий автономный округ.

К настоящему времени разведанность запасов в европейских регионах России и Западной Сибири достигает 65-70% по нефти и 40-45% по газу, в то же время Восточная Сибирь и Дальний Восток освоены только на 6-8%, а шельфы морей - лишь на 1%. Именно на эти труднодоступные регионы (включая север Тюменской и Архангельской областей) приходится около 46% перспективных и более 50% прогнозных ресурсов нефти и около 80% природного газа.

Если разработка крупных месторождений всегда рентабельна и имеет достаточно короткие сроки окупаемости проектов (в первую очередь это зависит от соотношения стоимости оборудования и объемов добываемого газа при существующей ценовой политике на газ и системе налогообложения), то разработка небольших, а тем более малых месторождений, удаленных от магистральных газопроводов, становится невыгодна с экономической точки зрения.

При освоении всех типов месторождений углеводородов есть свои трудности и проблемы как экономического, так и технического характера. Если взять Северные районы России, то это труднодоступность, суровый климат, доставка и монтаж технологического оборудования и сопутствующих разработке месторождения необходимых материалов. В центральных и южных районах, несмотря на развитую инфраструктуру, наличие перерабатывающей промышленности и возможность сбыта продукции, разработка малых месторождений зачастую так же нерентабельна из-за большой металлоемкости технологического оборудования подготовки газа до товарного качества. Поэтому для освоения малых и средних месторождений необходимо создание блочно-модульных установок заводской готовности с возможностью поставки товарного газа местным потребителям.

Для решения этой задачи предлагается достаточно много вариантов на основе существующих технологий подготовки газа до товарных качеств.

Поскольку потребление газа в мире постоянно возрастает, возникает необходимость постоянного наращивания добычи природного газа. Реальность решения задачи быстрого наращивания объемов добычи и транспортировки газа подтверждается приобретенным ранее опытом интенсивного развития отечественной газовой промышленности. Так с 1970 года удалось увеличить добычу газа в стране в несколько раз, при этом огромные капиталовложения в газовую промышленность окупались за два года. Столь значительные результаты достигнуты без привлечения иностранных инвестиций, силами отечественных производственных коллективов и специалистов. Одним из способов стабилизации и наращивания добычи углеводородного сырья может являться разработка месторождений со средними и малыми запасами газа, т.е. необходима достаточно простая и недорогая технология подготовки газа.

Для месторождений с низким содержанием тяжелых углеводородных компонентов, (или их отсутствием - как правило это газ сеноманских залежей) на сегодняшний день существует стандартная схема подготовки газа.

Фиг.1. Абсорбционный способ осушки природного газа - сырой газ 1 поступает во входной сепаратор (центробежный, гравитационный, щелевой и т.д.) 9, частично очищенный от механических примесей и капельной влаги газ направляется в абсорбер 4, где за счет абсорбционных свойств реагента 6 (ДЭГа, ТЭГа и т.д.) происходит остаточное извлечение из природного газа влаги, затем газ подается потребителю 2. Для восстановления абсорбционных свойств реагента используется цех регенерации 5.

Фиг.2. Адсорбционный способ осушки природного газа - сырой газ 7 поступает во входной сепаратор (центробежный, гравитационный, щелевой и т.д.) 16, частично очищенный от механических примесей и капельной влаги газ направляется в рабочий адсорбер 13 (адсорбер 14 находится на регенерации адсорбента - восстановление адсорбционных свойств реагента 15 с помощью вспомогательного цеха 11), осушенный газ подается потребителю 8. Для регенерации адсорберов используется отдельный цех подготовки 11.

Фиг.3. Способ осушки газа с помощью термодинамического сепаратора - сырой газ 23, 20 малогабаритный сепаратор, 27 капельная влага и механические примеси, 22 накопительная емкость; 21 термодинамический сепаратор, 24 сухой газ, 26 сконденсировавшееся жидкость, 25 газ дегазации, 28 дегазированная жидкость.

Фиг.4. Термодинамический сепаратор - 39 вход сырого газа, 36 выход сухого газа, 29 завихритель газового потока, 30 сопло, 31 регулируемый зазор между соплом 30 и камерой смешения 32, 34 диффузор, 33 регулируемый зазор между камерой смешения 32 и диффузором 34, 35 корпус аппарата, 38 место входа газов дегазации, 37 место сброса отделившейся жидкости.

Отрицательные стороны существующих технологий:

- для получения требуемых параметров газа необходимо поддерживать определенную концентрацию абсорбента (или переключаться на резервные колонны осушки с регенерированным адсорбентом);

- для регенерации реагентов необходима, как правило, дополнительная технология по восстановлению регенерирующих качеств реагентов (регенерация (десорбция) абсорбента (адсорбента));

- необходимо постоянно пополнять количество абсорбента (унос с газом) или производить замену адсорбента (с течением времени потеря адсорбционных качеств);

- для процесса осушки необходимы крупногабаритные аппараты - для обеспечения площади контакта газ - реагент.

Отсюда видно, что использование в технологии подготовки газа химических реагентов во многом увеличивает стоимость проекта как за счет самой стоимости абсорбента (адсорбента), так и большой металлоемкости технологических процессов восстановления свойств реагентов и подготовки газа до товарного качества, поэтому по экономическим соображениям данная технология неприменима на средних и малых месторождениях газа.

Достаточно много предлагается и существует конструкций сепараторов для очистки природного (попутного нефтяного) газа от капельной жидкости и механических примесей. (А.И.Скобло, Ю.К.Молоканов, А.И.Владимиров, В.А.Щелкунов. «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии», Москва: НЕДРА, 2000. Конструкции данных аппаратов представляют собой, как правило, корпус цилиндрический (вертикальный или горизонтальный), вход газа, выход газа, выход жидкости, внутренние элементы (центробежные, инерционные, фильтрационные и т.д.).

Признаки известных устройств, совпадающих с признаками данного технического решения, заключаются в наличии входных, выходных и сливных патрубков, использовании центробежных сил для улавливания жидкой фазы и осаждение жидкой фазы и механических примесей за счет силы, с последующим отводом из устройств.

Основным недостатком всех этих устройств является низкая эффективность очистки газа и габариты. Чем больший объем газа необходимо очистить, тем больше габариты сепаратора. При резком увеличении входящего потока газа возможен подхват и унос жидкой фазы, не успевшей осесть в отстойную (накопительную) зону.

Близким вариантом является устройство для разделения газожидкостных смесей (патент РФ на изобретение №2260467, МПК B01D 19/00, 2004), состоящее из цилиндрического корпуса с коаксиально установленными внутри корпуса входной и выходной трубами, завихрителя, диспергатора жидкостных пробок. Патрубок ввода смеси переходит в камеру расширения и конфузором, начало и конец трубы выполнены коноидальными, а начало трубы размещено в конфузоре камеры расширения. Между входной и выходной трубами установлена промежуточная труба, в стенке которой выполнены последовательно расположенные тангенциальные, продольные и кольцевая щели. Вокруг этих щелей размещены стабилизаторы в виде коаксиальных труб. Патрубки отвода жидкости установлены в камере расширения и за камерой расширения.

Причина, препятствующая получению технического результата, который обеспечивается заявленным техническим решением, заключается в том, что достаточно мелкодисперсные капли жидкости выделить из газа невозможно из-за несовершенства конструкции и уноса их потоком газа. Данное устройство применимо только в виде первичного (входного) сепаратора.

Близким по аналогии является устройство, содержащее сопло с форкамерой с размещенным в ней средством для закрутки газового потока, на выходе сопла сверхзвуковой или дозвуковой диффузор с средством для отбора жидкой фазы. В диффузоре расположено средство для спрямления закрученного газового потока, (патент РФ на изобретение №2167374, МПК F25J 3/06, 2005).

Недостатком указанного устройства является конструктивное решение по отбору жидкости из диффузора, а также расположение диффузора непосредственно после сопла. В первом случае в связи с высокой скоростью потока отбор жидкости через перфорированные отверстие будет затруднителен и появляется большая вероятность проскока газа. Во втором - при прохождении газового потока сужающего устройства произойдет резкое снижение температуры и увеличение скорости потока, а сразу же после расширения будет наблюдаться обратный процесс, т.е. выделение из газа тяжелых углеводородов С5+ в начальном этапе, а затем сразу же будет наблюдаться обратный процесс.

Задача изобретения - максимально увеличить качество сепарации и обеспечить подготовку газа до ОСТ 51.40-93.

В результате применения термодинамического сепаратора повышается эффективность подготовки газа до требований ОСТ 51.40-93.

Данный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в термодинамическом сепараторе (фиг.4), состоящем из корпуса 35, входного 39 и выходного 36 патрубков, патрубка для слива жидкости 37, патрубка входа низконапорных газов 38, средства для закрутки газа (завихрителя) 29, сопла 30, калиброванного зазора между соплом и камерой смешения 31, камеры смешения 32, диффузора 34, имеющего с камерой смешения калиброванный зазор 33 для отвода жидкости, за счет термодинамических свойств газа и особенности конструкции достигается максимальное извлечение из газа влаги с попутной утилизацией низконапорных газов.

Работа сепаратора заключаются в следующем:

На вход аппарата 39 подается газовая смесь, поступающая с давлением 7,5-13 МПа. Рабочая среда (природный газ) перед контактом с эжектируемым потоком (газ из разделительной емкости) разгоняется до скорости, превышающей звуковую, предварительно получая вращение в завихрителе 29 перед соплом 30. Закрученный поток активного газа поступает в приемную камеру, куда подается пассивная среда через патрубок 38. В результате наличия вязкостного трения на границе рабочей струи образуется струйный турбулентный пограничный слой (результат захвата - эжекции пассивной среды). Через этот слой происходит обмен энергиями между активным и пассивным потоками. Струя рабочей среды, окруженная струйным турбулентным пограничным слоем, нарастающим вниз по течению, и сопровождающий ее, не захваченный еще пограничным слоем поток пассивной среды из приемной камеры поступают в камеру смешения 32. В камере смешения 32 продолжается интенсивный обмен энергиями между активным и пассивным потоками, выравнивание профиля скоростей с некоторым повышением статического давления потока по течению. Также происходит интенсивное снижение температуры потока газа за счет увеличения его скорости до величин, близких к скорости звука. Требуемая скорость газа и величина перепада давлений в сопле 6 активного газа зависят от заданной глубины осушки товарного газа и определяются расчетом по известным соотношениям газовой динамики. Снижение температуры движущегося с высокой скоростью потока газа сопровождается конденсацией жидкости из газовой фазы. По мере движения вдоль камеры смешения 32 активный поток замедляется, а пассивный разгоняется. Смешанный поток из камеры смешения 32 поступает в диффузор 34, где происходит его торможение, сопровождающееся дальнейшим возрастанием статического давления до величины, определяемой сопротивлением оборудования, в которое нагнетается смешанная среда. За счет придания активному потоку вращательного движения, жидкость благодаря центробежным силам отбрасывается к стенкам камеры смешения. Перед началом конической части диффузора 34 производится отвод сконденсировавшейся жидкой части через калиброванный зазор 33 между камерой смешения 32 и диффузором 34 в накопительную емкость. Снижение давления в емкости обеспечивается эжектированием части газов дегазации на вход камеры смешения 32 термодинамического сепаратора. По мере движения потока газа вдоль диффузора 34 происходит повышение как давления, так и температуры газа. При этом температура газа на выходе 36 из аппарата превышает температуру гидратообразования, что обеспечивает значительную экономию метанола по сравнению, например, с обычными схемами подготовки газа.

Габаритные размеры аппарата зависят от требуемого расхода и состава газа. Все элементы могут изготовляться промышленно.

Нами предлагается способ подготовки газа до товарного качества с использованием термодинамического сепаратора (фиг.3).

Согласно схеме (фиг.3) природный газ 23 с температурой - 10°С+30°С и давлением 7,5-13 МПа поступает сначала на вход малогабаритного щелевого сепаратора 20, где происходит первичная очистка газа от механических примесей и капельной влаги, которая сбрасывается в накопительную емкость 22. Затем газ поступает в термодинамический сепаратор 21 для окончательной осушки газа, после которого подготовленный газ подается потребителю 24. Сконденсировавшееся жидкая фаза из сепаратора 20 сбрасывается 27 в накопительную емкость 22. В накопительной емкости 22 происходит частичная дегазация жидкой фазы - газ низкого давления подается 25 для эжектирования в термодинамический сепаратор 21, а жидкая фаза 28 сбрасывается для последующей утилизации.

1. Способ подготовки газа, включающий подачу пластового газа во входной щелевой сепаратор с накопительной емкостью, очистку упомянутого газа от механических примесей и капельной влаги в щелевом сепараторе, сбор и частичную дегазацию жидкой фазы в накопительной емкости, последующую подачу газа в термодинамический сепаратор с эжектором, где сепарацию газа осуществляют до заданной глубины осушки для товарного газа, сепарацию газа осуществляют с одновременным его охлаждением за счет вращения и разгона его потока до скорости, близкой и выше скорости звука, и утилизацией газа, выделившегося в накопительной емкости, при этом на выходе из эжектора обеспечивают температуру газа, превышающую температуру гидратообразования.

2. Установка подготовки газа, включающая щелевой сепаратор для очистки пластового газа от механических примесей и жидкой фазы, накопительную емкость для сбора и частичной дегазации жидкой фазы, термодинамический сепаратор с эжектором, в сопле которого установлено устройство для закручивания потока газа по тангенциальному направлению, камеру смешения, на вход которой обеспечено эжектирование части газов дегазации из накопительной емкости, диффузор, образующий калиброванный зазор с камерой смешения для отвода жидкой фазы в накопительную емкость, при этом устройство выполнено с возможностью разгона потока до скорости, близкой и выше скорости звука.