Установка для газодинамической осушки газа
Изобретение относится к установкам для осушки газа. Установка для газодинамической осушки газа содержит последовательно подключенные рекуперативный теплообменник, первичный сепаратор и узел газодинамической осушки. Узел газодинамической осушки включает корпус с патрубками, сепарационную камеру и коаксиальные диффузоры для отвода газа и жидкости. Диффузор для отвода жидкости выполнен в виде щели между стенками сепарационной камеры и диффузора для отвода газа. Установка содержит несколько расположенных по окружности сепарационной камеры суживающихся тангенциальных сопловых каналов, подключенных выходной стороной к входу камеры. Сепарационная камера содержит осевой обтекатель и установленную с примыканием к выходным кромкам сопловых каналов подвижную перегородку. Расстояние между перегородкой и обтекателем составляет 0,1-0,3 от входного диаметра камеры. Выходной диаметр камеры увеличивается в направлении диффузора, образуя совместно с обтекателем суживающийся кольцевой канал. Выходной участок наружной стенки камеры на 0,2-0,3 от ее длины перфорирован тангенциальными щелями, подключенными совместно с диффузором для отвода жидкости к входному участку диффузора для отвода газа. Техническим результатом является повышение эффективности сепарации сконденсированных тяжелых углеводородов. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для промысловой подготовки газа и газового конденсата на газоконденсатных или нефтегазоконденсатных месторождениях, а также в составе установок для переработки газов, использующих способ низкотемпературной конденсации (сепарации) для осушки газа по влаге и тяжелым углеводородам.
Установки осушки газа по влаге и сконденсированным тяжелым углеводородам методом низкотемпературной конденсации исходной парожидкостной смеси используются в составе установок комплексной подготовки газа и газового конденсата. Вариантом реализации этого метода являются устройства газодинамической осушки газа, представляющие собой гибрид сопла, сверхзвукового центробежного сепаратора и диффузора.
Известно устройство газодинамической осушки с осевой схемой течения газа, содержащее сверхзвуковое кольцевое сопло с предвключенным палаточным завихрителем, цилиндрическую сепарационную камеру и коаксиальные диффузоры для отвода из сепарационной камеры газа и жидкости. Для повышения эффективности сепарации, жидкость отводят совместно с частью рабочего газа через дополнительный сепаратор, газ из которого возвращают в основной поток. В этом устройстве газ рециркуляции возвращают через полые лопатки завихрителя и осевой канал сопла в начальное сечение сепарационной камеры /Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. - М.: Недра, 1999, 595 с., Рис.7.24/.
В Патенте РФ №2016630 раскрыто устройство газодинамической осушки газа, которое имеет сепарационную камеру кольцевого сечения, а отвод отсепарированной жидкости и рециркуляцию газа выполняют через пористые стенки и полые лопатки проточной части устройства.
Эти известные устройства газодинамической осушки газа имеют следующие надостатки:
- рециркуляция газа в сепарационную камеру увеличивает скорость газа в камере, что снижает эффективность сепарации;
- отсутствуют средства для регулирования проходного сечения, что снижает эффективность процесса при изменении параметров газа.
Ближайшим прототипом настоящего изобретения является установка газодинамической осушки газа фирмы Twister B.V. Эта установка содержит последовательно подключенные рекуперативный теплообменник «газ-газ», первичный сепаратор и узел газодинамической осушки газа, включающий корпус с патрубками, сепарационную камеру и коаксиальные диффузоры для отвода газа и жидкости, причем на входе в сепарационную камеру установлен суживающийся осевой сопловой канал с лопаткой для расширения и закрутки потока, а диффузор для отвода жидкости выполнен в виде щели между стенками сепарационной камеры и диффузора для отвода газа и соединен через дополнительный сепаратор с выходным трубопроводом /Dr. Fred Okimoto, Job M. Brouwer «Supersonic gas conditioning», World Oil, August 2002, pp. 89-91/.
Указанное устройство имеет недостаточную эффективность сепарации сконденсированных тяжелых углеводородов и в настоящее время используется для осушки газа по влаге.
Технической задачей предложенного устройства является повышение эффективности сепарации сконденсированных тяжелых углеводородов в устройстве для газодинамической осушки газа.
Поставленная задача достигается тем, что установка для газодинамической осушки газа, содержащая последовательно подключенные рекуперативный теплообменник, первичный сепаратор и узел газодинамической осушки, включающий корпус с патрубками, сепарационную камеру и коаксиальные диффузоры для отвода газа и жидкости, причем диффузор для отвода жидкости выполнен в виде щели между стенками сепарационной камеры и диффузора для отвода газа, отличается тем, что установка содержит несколько расположенных по окружности сепарационной камеры суживающихся тангенциальных сопловых каналов, подключенных выходной стороной к входу сепарационной камеры, которая содержит осевой обтекатель и установленную с примыканием к выходным кромкам сопловых каналов подвижную перегородку. При этом расстояние между перегородкой и обтекателем составляет 0,1-0,3 от входного диаметра камеры, выходной диаметр камеры увеличивается в направлении диффузора, образуя совместно с обтекателем суживающийся кольцевой канал, а выходной участок наружной стенки камеры на 0,2-0,3 от ее длины перфорирован тангенциальными щелями, подключенными, совместно с диффузором для отвода жидкости, к входному участку диффузора для отвода газа. В предложенном устройстве диффузор может быть выполнен состоящим из начального диагонального безлопаточного участка, среднего участка с полыми осевыми лопатками и концевого диагонального участка с продольными ребрами, а осевой обтекатель сепарационной камеры может быть установлен с возможностью вращения и содержит примыкающие с зазором к наружной стенке камеры и диффузорам лопатки.
На Фиг.1 представлена принципиальная схема установки с узлом газодинамической осушки газа, на Фиг.2 - продольный разрез узла газодинамической осушки газа, на Фиг.3 - поперечное сечение сопловых каналов, на Фиг.4 - конструкция сепарационной камеры и диффузора в зоне отвода жидкости, в увеличенном масштабе, на Фиг.5 - поперечное сечение по А-А Фиг.4, на Фиг.6 - окружное сечение по Б-Б Фиг.4, в зоне лопаток диффузора, на Фиг.7 - исполнение сепарационной камеры с свободновращающимся лопастным обтекателем.
Принципиальная схема установки с узлом для газодинамической осушки газа показана на Фиг.1. Установка содержит подключенные к трубопроводу 1 сырого газа, см. Фиг.1, сепаратор 2, рекуперативный теплообменник 3 «газ-газ», узел 4 газодинамической осушки газа, включающий сопло 5, сепарационную камеру 6 и диффузор 7 для отвода газа, а также дополнительный сепаратор 8 газа рециркуляции, трехфазный сепаратор 9 и трубопроводы обвязки аппаратов схемы. Осушенный газ отводят по трубопроводу 10, частично стабилизированный конденсат - по трубопроводу 11, водные растворы - по трубопроводу 12. Жидкость, отсепарированная в сепараторе 2, дросселируют до давления, примерно равного давлению на входе в диффузор 7. Поток газа рециркуляции, отводимого из сепарационной камеры 6 вместе с жидкостью, составляет до 10% от основного потока газа. Потоки газа дегазации конденсата из трехфазного сепаратора и газ рециркуляции из сепарационной камеры 6 возвращают в основной поток на вход в диффузор 7. Для месторождений с конденсатным фактором более 100 г/м3 теплообменник 3 может быть выполнен из двух секций, одну из которых устанавливают до сепаратора 2. В этом случае сепаратор 2 дополняют предвключенным сепаратором. На условия северных месторождений перед сепаратором, теплообменником и соплом предусматривают подачу метанола или другого ингибитора гидратообразования по трубопроводам 13 и 14 для обеспечения надежной работы установки.
Узел газодинамической осушки газа, см. Фиг.2, содержит корпус 15 с патрубком 16 входа сырого газа, патрубком 17 выхода осушенного газа, сливным патрубком 18, патрубком 19 входа газа рециркуляции, а также соосно закрепленные в корпусе втулку 20 сепарационной камеры и корпус 21 диффузора.
Сепарационная камера образована внутренней полостью втулки 20, ограниченной со стороны входа газа подвижной в осевом направлении перегородкой (поршнем) 22 и закрепленным на диффузоре осевым обтекателем 23. Втулка сепарационной камеры содержит расположенные по окружности суживающиеся тангенциальные сопловые каналы 24, поперечное сечение которых показано на Фиг.3. Входные отверстия сопловых каналов сообщаются с патрубком 16 входа газа через кольцевую полость корпуса. Осевое перемещение перегородки в зоне расположения выходных отверстий сопловых каналов для регулирования расхода газа выполняют с помощью штока 25. Между перегородкой и обтекателем установлен осевой зазор, равный 0,1-0,3 от входного диаметра сепарационной камеры с образованием цилиндрической входной зоны сепарационной камеры для коагуляции сконденсированных аэрозолей. Средний и выходной участки наружной стенки сепарационной камеры имеют коническую форму с образованием, совместно с осевым обтекателем, плавно суживающегося кольцевого канала для коагуляции и сепарации жидкости. При этом средний диаметр сепарационного канала от входного до выходного сечений камеры увеличивается. Выходной участок сепарационной камеры содержит узел отвода отсепарированной жидкости, включающий тангенциальные щели 26, см. Фиг.4, профиль которых показан на Фиг.5, и кольцевой диффузор 27 для отвода жидкости, который образован внутренней стенкой сепарационной камеры и наружной стенкой диффузора для отвода газа. Входные отверстия щелей 26 направлены навстречу окружной составляющей скорости потока газа в сепарационной камере. Осевая длина щелей 26 составляет 0,2-0,3 от длины сепарационной камеры. При этом общая длина сепарационной камеры составляет, например, 1,5 от входного диаметра камеры для эффективного выходного угла сопловых каналов от поперечной плоскости порядка 16 градусов. Выходные отверстия щелей 26 и диффузор 27 сообщаются с патрубком 18 через кольцевую полость корпуса.
Корпус диффузора содержит соосно закрепленные обечайку 28, полую втулку 29 с образованием между ними безлопаточного диагонального участка 30, осевого участка с полыми лопатками 31, окружное сечение которых показано на Фиг.6, и выходного диагонального участка с продольными ребрами 32. Втулка 29 перфорирована на входе в диффузор отверстиями 33, которые сообщаются с патрубком 19 рециркуляции газа через отверстия в лопатках 31 и кольцевую полость в корпусе 15.
Осевой обтекатель 35 сепарационной камеры может быть выполнен вращающимся на опорах 34 и снабжен лопатками 36, примыкающими с зазором к втулке сепарационной камеры в зоне расположения каналов 26 для отвода жидкости, см. Фиг.7.
Работа установки осуществляется следующим образом. Сырой газ, например, продукция скважин газоконденсатного месторождения с содержанием метана порядка 90 об.% предварительно очищают от жидких и твердых компонентов в входном сепараторе и охлаждают в рекуперативном теплообменнике. Жидкость, отсепарированная во входном сепараторе, направляют в трехфазный сепаратор, где осуществляют ее дегазацию и разделение на углеводородный конденсат и водные растворы. Влажный газ из теплообменника направляют в узел газодинамической осушки. Температуру газа в узле газодинамической осушки регулируют байпасным перепуском обратного потока газа в теплообменнике. Осушенный газ и частично стабилизированный конденсат тяжелых углеводородов направляют в межпромысловые трубопроводы или реализуют иными способами
Работа узла газодинамической осушки газа включает следующие стадии:
- расширение газа до околозвуковых или небольших сверхзвуковых скоростей за счет срабатывания около 50% от располагаемого входного давления газа в суживающихся тангенциальных сопловых каналах. При этом соответственно снижается статическая температура газа и осуществляется дополнительная конденсация тяжелых углеводородов. На входном участке сепарационной камеры имеет место переохлаждение части потока за счет вихревого эффекта энергоразделения в цилиндрической вихревой зоне сепарационной камеры, что интенсифицирует кондесацию и коагуляционный рост капельной жидкости;
- сепарация капельной жидкости в сепарационной камере при величине центростремительного ускорения более 50000g (здесь g - ускорение свободного падения);
- отвод жидкости из сепарационной камеры в дополнительный сепаратор совместно с потоком газа рециркуляции;
- восстановление давления газа до 60-70% от первоначальной величины за счет торможения потока в диффузоре для отвода газа;
- утилизация газа дегазации конденсата из трехфазного сепаратора и потока газа рециркуляции из дополнительного сепаратора за счет его подачи на вход диффузора, что обеспечивает частичную стабилизацию конденсата и повышает степень извлечения из газа тяжелых углеводородов за счет приближения условий низкотемпературной конденсации к ее оптимальным параметрам.
Глубина осушки газа по влаге и тяжелым углеводородам зависит от эффективности процессов расширения, сепарации и восстановления давления газа в узле газодинамической осушки, от эффективности узла предварительного охлаждения газа, а также от параметров и состава газа.
Исполнение сопла узла газодинамической осушки в виде расположенных по окружности сепарационной камеры суживающихся конических тангенциальных каналов обеспечивает эффективное расширение газа при различных перепадах давления газа на сопловых каналах за счет дополнительного расширения потока в косом срезе на выходе сопловых каналов.
Исполнение сепарационной камеры с подвижной перегородкой в зоне выходных отверстий суживающихся конических тангенциальных сопловых каналов обеспечивает возможность эффективного регулирования расхода газа при изменении условий работы установки.
Наличие осевого зазора между подвижной перегородкой и осевым обтекателем сепарационной камеры, а также перфорация наружной стенки сепарационной камеры тангенциальными щелями и коническая форма наружной стенки сепарационной камеры повышают эффективность сепарации жидкости.
Исполнение диффузора для отвода газа в виде сочетания входного безлопаточного диагонального канала, осевого лопаточного канала и диагонального выходного канала обеспечивает эффективное торможение потока.
Исполнение сепарационной камеры, включающее свободновращающийся обтекатель с лопатками в зоне отвода жидкости из сепарационной камеры, повышает эффективность сепарации тяжелых углеводородов за счет «уплотнения» двухфазного пограничного слоя потока на стенке сепарационной камеры.
Работоспособность узла газодинамической осушки газа качественно подтверждена в условиях сепарации нефти из факельных газов.
Изобретение может найти применение для промысловой подготовки газа на газоконденсатных месторождениях. Другой областью применения изобретения является извлечение нефти из факельных газов.
1. Установка для газодинамической осушки газа, содержащая последовательно подключенные рекуперативный теплообменник, первичный сепаратор и узел газодинамической осушки, включающий корпус с патрубками, сепарационную камеру и коаксиальные диффузоры для отвода газа и жидкости, причем диффузор для отвода жидкости выполнен в виде щели между стенками сепарационной камеры и диффузора для отвода газа, отличающаяся тем, что установка содержит несколько расположенных по окружности сепарационной камеры суживающихся тангенциальных сопловых каналов, подключенных выходной стороной к входу камеры, которая содержит осевой обтекатель и установленную с примыканием к выходным кромкам сопловых каналов подвижную перегородку, причем расстояние между перегородкой и обтекателем составляет 0,1-0,3 от входного диаметра камеры, выходной диаметр камеры увеличивается в направлении диффузора, образуя совместно с обтекателем суживающийся кольцевой канал, а выходной участок наружной стенки камеры на 0,2-0,3 от ее длины перфорирован тангенциальными щелями, подключенными совместно с диффузором для отвода жидкости к входному участку диффузора для отвода газа.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диффузор для отвода газа содержит начальный диагональный безлопаточный участок, средний участок с полыми осевыми лопатками и концевой диагональный участок с продольными ребрами.
3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что осевой обтекатель сепарационной камеры размещен с возможностью вращения и содержит примыкающие с зазором к наружной стенке камеры и диффузорам лопатки.
