На газоконденсатных месторождениях РФ для подготовки газа к дальнему транспорту применяется метод низкотемпературной сепарации (НТС). Метод состоит в охлаждении потока газа за счет дросселирования избыточного давления и механического разделения образовавшихся жидкой и газовой фаз [1]. В качестве источников производства холода используют дроссель, эжектор, турбодетандерный агрегат и другие устройства. Метод НТС для извлечения жидких фаз на газоконденсатных месторождениях был впервые применен в США в 1951 году. Получение низких температур достигалось дросселированием газа. Это связано с тем, что в начальный период эксплуатации газоконденсатных месторождений давление сырья на входе в установки комплексной подготовки газа (УКПГ), как правило, значительно больше, чем давление, при котором газ подается в магистральный газопровод.
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 с температурой -10–25 °С и выпавшей жидкости входит в низкотемпературный сепаратор. Такая схема подготовки газа, характеризуется низкими капитальными вложениями, в тоже время позволяет эффективно готовить газ к транспорту, но имеет ряд недостатков.
– Наличие подвижных частей в клапане НТС и их движение относительно друг друга.
– Наличие перепада давления по установке;
– ввод дожимной компрессорной станции (ДКС) на ранних сроках эксплуатации;
– в летний период не всегда обеспечивается отрицательная по Цельсию температура товарного газа.
Установки НТС оправдывают себя на начальных стадиях эксплуатации скважин или на небольших месторождениях, где экономически нецелесообразно строительство более сложных и дорогих установок.
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 существенным недостатком системы НТС.
Самым распространенным способом понижения температуры на газоконденсатных промыслах является изоэнтропийное расширения, при помощи детандерного оборудования [1].
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. Расширяющийся газ совершает работу, при этом КПД процесса превышает 80 % [2].
Рис. 1. Снижение температуры газа при изоэнтропийном 1 и изоэнтальпийном расширении газа 2
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 [3].
Принципиальная схема охлаждения базируется на использовании охлаждения газа в сверхзвуковом закрученном потоке природного газа.
Рис. 2. 1 —Завихряющее устройство; 2 — сопло Лаваля; 3 — рабочая секция; 4 –двухфазный сепаратор газ-жидкость; 5 — диффузор; 6 — направляющий аппарат
Входной поток газа закручивается в лопатках неподвижного завихрителя 1, далее закрученный поток ускоряется до сверхзвуковой скорости в сверхзвуковом сопле Лаваля 2. В таком сопле газ разгоняется до скоростей, превышающих скорость распространения звука в газе, где за счет расширения падает его давление и температура, далее проходя через сужающуюся часть сопла (
скорость газа резко возрастает. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию происходит сильное охлаждение газа. Далее закрученный поток газа поступает в рабочую секцию 3 в которой происходит конденсация целевых фракций природного газа. Образующиеся капли за счет центробежных сил, обусловленных закруткой потока, двигаются к стенкам рабочей части. На выходе из рабочей части формируется центральное ядро потока, очищенное от целевых фракций, и пристеночный двухфазный пограничный слой, состоящий из жидкости (углеводородов и воды) и газа, и отброшенный к периферии более тяжелый компонент выводится из сепаратора посредством щели образованной диффузором 5 и рабочей секцией 3.
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 %);
– 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.
Рис. 3. Сравнительный график эффективности
На рисунке 3 изображен сравнительный график эффективности для клапана НТС, турбодетандера и 3S сепаратора. Общий вид 3S сепаратора представлен на рисунке 5.
Литература:
- Ишмурзин А. А., Мияссаров Р. Ф. Повышение эффективности разделения компонентов природного и попутного нефтяного газа. // Материалы IV Международной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук». — Краснодар: «Молодой ученый», 2017. — С. 48–51.
- ГриценкоА.И., ИстоминВ.А., КульковА.Н., Сулейманов Р. С. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. — Москва: ОАО «Издательство Недра», 1999. — 473 с.
- Информационно аналитический центр RUPEC
- Берлин М. А. «Неудобный попутчик» //Сфера. Нефть и газ. — 2013— № 1— С 90–92.
