Сверхзвуковая сепарация

      УДК 533.17

     Измиков К.И. ИНиГ 5-1

     Научный руководитель: доцент Абанов А.Э. 

     СВЕРХЗВУКОВАЯ СЕПАРАЦИЯ 

     На  газоконденсатных месторождениях РФ для  подготовки газа к дальнему транспорту применяется метод низкотемпературной сепарации (НТС). Метод состоит в  охлаждении потока пластового флюида за счет дросселирования избыточного давления и механического разделения образовавшихся жидкой и газовой фаз.

     Дросселяция газа основана на применении эффекта  Джоуля-Томпсона. Эффектом Джоуля-Томсона  называется изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель (пористую перегородку).

      В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется  на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. После дросселирования смесь газа и выпавшей жидкости входит в низкотемпературный сепаратор. Здесь в результате сепарации выделяются сухой газ высокого давления, нестабильный газовый конденсат и водометанольная смесь. На рисунке 1 изображен клапан КРД-5 используемый для НТС. 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 1 – Клапан КРД-5

     Рабочая среда поступает в напорную часть  корпуса и проходит через профилированное  отверстие дискового седла, открываемое при повороте золотника, который поворачивается вокруг своей оси с помощью шпинделя, проходящего через графлексовое уплотнение, соединяемого с приводом.

     Первым  серьезным недостатком НТС является то, что для предотвращения гидратообразования при снижении температуры газового потока необходимо использовать опасные химические реагенты (метанол, смесь этанола и гликоля).

     По мере разработки месторождения, при его истощении, следовало бы для поддержания заданного уровня добычи жидких углеводородов из все облегчающегося состава исходной смеси снижать температуру сепарации. На практике же из-за непрерывного снижения свободного перепада давления температура сепарации постоянно растет. Вышесказанное является вторым существенным недостатком системы НТС [3].

     Третьим недостатком данной схемы является ее большие габаритные размеры и  значительная масса, что крайне нежелательно при добыче газа на море (проектная  стоимость одного койко-места на платформе составляет 4 миллиона долларов) [8].

     Наличие подвижных частей в клапане НТС и их движение относительно друг друга при частых регулировках уровня открытия клапана вызывают необходимость трудоемкого и высококвалифицированного технического обслуживания. Данный факт указывает на невозможность использования НТС в подводных системах подготовки газа, где доступ персонала к оборудованию затруднен, а в случае больших глубин невозможен. Использование водолазов и подводных роботов связано с рисками и значительными затратами.

     Менее распространенным в РФ является способ осушки газа при помощи турбодетандеров (рисунок 2).

     Рисунок 2 – Турбодетандер (слева) и его рабочая камера (справа)

     Турбодетандеры  — лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа. За счет двухступенчатого преобразования энергии газа турбодетандер более эффективен по сравнению с клапаном КРД, однако имеет схожие с ним недостатки.

     Учитывая  изложенное ранее была разработана  технология подготовки газа на основе 3S сепарации. 3S сепарация (от англ. super sonic separation) – новейшая технология, предназначенная для извлечения целевых компонентов из природных газов. Технология базируется на охлаждении природного газа в сверхзвуковом закрученном потоке газа.

     Сверхзвуковой  поток реализуется с помощью конфузорно-диффузорного сопла Лаваля. В таком сопле газ разгоняется до скоростей превышающих скорость распространения звука в газе. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию  происходит сильное охлаждение газа. Выделившаяся в результате охлаждения жидкость центробежными силами с ускорением достигающим 10⁶ м/с² [5] отбрасывается к стенкам выходного раструба, а газ выходит через диффузор. В диффузоре кинетическая энергия, приобретенная потоком, переходит в давление (давление на выходе составляет 70-80 % от входного давления) [6].

      На рисунке 3 представлена конструкция 3S сепаратора, на рисунке 4 схема движения газожидкостной смеси в 3S сепараторе. 
 
 
 
 
 
 

1 –  завихряющее устройство; 2 – сопло Лаваля; 3 – рабочая секция; 4 –двухфазный сепаратор газ-жидкость; 5 – диффузор; 6 – направляющий аппарат

Рисунок 3 - Принципиальная схема 3S-сепаратора 
 
 
 
 

Рисунок 4 - Схема движения газожидкостной смеси в 3S сепараторе

     По  сравнению с традиционными схемами подготовки газа использование 3S-сепараторов имеет следующие преимущества:

      - Позволяет отказаться от использования  химикатов для борьбы с гидратообразованием (время пребывания газожидкостной смеси внутри сепаратора составляет тысячные доли секунды, за столь малый промежуток времени гидраты не успевают сформироваться)

     - Малая занимаемая площадь и  масса установки, высокая транспортабельность и монтажеспособность (сепаратор спроектированный на рабочее давление в 100 бар имеет длину 2 м);

      - Упрощение конструкции установки;

     - Продление периода бескомпрессорной эксплуатации  месторождения;

      - Снижение затрат мощности компрессорных станций без снижения производительности (достигает 50-70%) [5];

     - Углубленное извлечение пропан-бутанов и этана;

     - Предотвращение  уноса конденсата из сепараторов НТС за счет увеличения  степени извлечения фракций C5+ (30 % рост извлечения при одинаковых энергозатратах) [5];

     - Эффективное извлечение CO₂ и H₂S из кислых природных газов [2];

     - В 3S-сепараторе отсутствуют движущие части и, как следствие, нет необходимости в трудоемком и высококвалифицированном текущем обслуживании аппарата;

     - Можно использовать на платформах  и в  подводных системах подготовки газа.

      На рисунке 4 изображен сравнительный  график эффективности для клапана НТС, турбодетандера и 3S сепаратора. Общий вид 3S сепаратора представлен на рисунке 5.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4 - Сравнительный  график эффективности

     Первая  экспериментальная установка была построена в Канаде. Первая в мире промышленная установка 3-s сепарации была введена в строй в 2005 году в Западной Сибири.

     Рисунок 5 – 3S сепаратор

     Летом 2007 г. был завершен проект  модернизации УКПГ-1 Губкинского месторождения  ОАО НК «Роснефть-Пурнефтегаз» на основе 3S-технологии, при этом производительность по газу и конденсату выросла на 50%. Срок окупаемости капитальных вложений на модернизацию составил 6 месяцев [6]. За рубежом данная технология активно используется компанией Shell. 

     Список  литературы 

     1 Бордачев С.Г., Имаев С.З.Технологические схемы УКПГ на основе 3S – технологии для северных месторождений - Московский физико-технический институт

     2 Войтенков Е.В. Применение 3-S технологии для сепарации кислых компонент из природного газа - Институт проблем нефти и газа РАН

     3 Полстянов Д.Е. Низкотемпературная сепарация. Пути развития - Материалы XII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука – Северо Кавказскому региону».Том первый. Естественные и точные науки. Технические и прикладные науки. Ставрополь: СевКавГТУ, 2008. 298 с.

     4 Vladimir Feygin, Salavat Imayev, Vadim Alfyorov, Lev Bagirov, Leonard Dmitriev, John Lacey. Supersonic Gas Technologies - TransLang Technologies Ltd., Calgary, Canada

     5 Vadim Alfyorov, Lev Bagirov, Leonard Dmitriev, Vladimir Feygin, Salavat Imayev, John R. Lacey. Supersonic nozzle efficiently separates natural gas components // Oil & Gas Journal / May 23, 2005

     6 Melewar Gas Technologies Ltd. Supersonic gas separation – The breakthrough in gas processing

     7 Marco Betting, Hugh Epsom. Supersonic separator gains market acceptance // World Oil / April 2007

     8 Alain Lepage – Petroleum project management, TPA training course at ASTU