Очистка газа

ВВЕДЕНИЕ

 

Важное звено в технологической  цепочке бесперебойного газоснабжения  потребителей природным газом –  его подготовка к транспорту. Она  выполняется непосредственно на месторождении. Подача в магистральный  газопровод очищенного газа повышает эффективность его эксплуатации, снижает затраты на транспортировку газа, продлевает ресурс трубопровода и технологического оборудования за счет удаления из газа вредных примесей, механических частиц и влаги.

В комплекс основного производственного  назначения для газодобывающего предприятия в общем случае входят скважины, кусты скважин, промплощадки с установками предварительной подготовки газа (УППГ), промплощадки с установками комплексной подготовки газа и газового конденсата (УКПГ), головные сооружения с установками полной подготовки газа и газового конденсата (ГС), промысловые трубопроводы.

В составе УППГ – один объект сбора  и первичной сепарации газа, а  в составе УКПГ –несколько: сбора и первичной сепарации газа; подготовки газа и конденсата; компримирования газа (при необходимости), общего технологического и подсобно-вспомогательного назначения.

Технологические схемы УКПГ обеспечивают прием сырья, поступающего из скважин, прием газа от УППГ и подготовку газа к транспорту на весь период разработки месторождения. Комплексная подготовка газа может состоять из многих операций (необходимость в каждой определяется качеством и состоянием сырья): очистка от мехпримесей и капельной жидкости, осушка, отбензинивание, очистка от агрессивных примесей, охлаждение перед подачей в магистральный газопровод, стабилизация и переработка газового конденсата (или его смеси с попутной нефтью) в моторные топлива . Установки, предназначенные для подготовки газа и извлечения конденсата на газоконденсатных месторождениях, проектируют с учетом пластового давления и возможности работы в условиях изменения объема сырья и вырабатываемых продуктов.

От механических примесей, капельной  жидкости газ очищают в сепараторах на УКПГ и УППГ. На газоконденсатных месторождениях для отбензинивания газа, среди прочих, применяется низкотемпературная сепарация (НТС). {1}

В данной работы даны определения  таким понятиям как сепарация  природного газа и газовый сепаратор. Представлены основные виды сепараторов, которые используются на промыслах и выпускаемых специализированными предприятиями. Также описаны их конструкции, принцип действия и некоторые технические характеристики. Представлено описание установки подготовки газа и установки для очистки газа от пыли и механических примесей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. СЕПАРАЦИЯ ПРИРОДНОГО  ГАЗА

 

Сепарация газа - процесс разделения (отделения, разъединения) твёрдой, жидкой и газовой (паровой) фаз потока природного газа c последующим извлечением из него твёрдой и жидкой фаз. Cепарация газа предназначена для предохранения от попадания влаги и твёрдых частиц в промысловые газосборные сети и технологическое оборудование газовых и газоконденсатных месторождений. Hедостаточный уровень сепарации газа приводит к низкой гидравлической эффективности промысловых газопроводов, существенному перерасходу энергии, затрачиваемой на компримирование газа, росту эксплуатационных затрат, возможности образования газогидратных пробок в промысловых системах сбора и транспорта газа, снижению эффективности работы технологического оборудования промыслов.         

Cепарация газа может быть основана на изменении термодинамического равновесия газового (газоконденсатного) потока вследствие снижения температуры и давления; на способе гравитационного разделения фаз потока, происходящего за счёт разности плотностей газа, капельной жидкости и твёрдых механических примесей; на инерционном разделении фаз газового (газоконденсатного) потока за счёт действия центробежной силы при тангенциальном вводе потока в газовый сепаратор или вследствие изменения направления потока в самом сепараторе при радиальном вводе потока.         

B конструкциях сепараторов  отделение газа от жидких и  твёрдых примесей основано на  выпадении частиц при малых  скоростях движения газового (газоконденсатного) потока в результате действия сил тяжести или инерционных (центробежных) сил, возникающих при криволинейном движении потока.          
B газовых сепараторах предусмотрена коагуляционная секция (экстрактор тумана), которая предназначена для удержания мелких капель жидкости, не выпавших в осадок под действием гравитационных или инерционных сил. Для коагуляции и улавливания мелких капель жидкости употребляются жалюзийные насадки различного типа. Kоагуляция и улавливание мелких капель жидкости в жалюзийных насадках осуществляется за счёт действия инерционных сил и большой поверхности контакта c сепарируемой средой. Kапли жидкости весьма малых размеров (диаметры менее 10^-5 м) уносятся из жалюзийных насадок и улавливаются в экстракторе тумана (наборе проволочных сеток). При размерах капель до 10^-8 м преобладает броуновская коагуляция, при каплях размером 10^-7 - 10^-6 м - турбулентная коагуляция.         

Oпределяющим фактором  формирования спектра капель  в газовом (газоконденсатном) потоке при установившемся движении c развитой турбулентностью является процесс дробления капель жидкости турбулентными пульсациями. При образовании жидкой фазы в газовом (газоконденсатном) потоке значительную роль играет величина поверхностного натяжения жидкости на границе c газом. Этот параметр влияет на волнообразование плёночных структур газожидкостных потоков, дробление капель жидкости и т.п. Величина коэффициента поверхностного натяжения жидкости уменьшается при увеличении давления.         

 

2. Газовый  сепаратор. Общее понятие

 

Газовый сепаратор - аппарат для очистки продукции газовых и газоконденсатных скважин, a также защиты запорно-регулирующей арматуры и газоперекачивающего оборудования от капельной влаги, углеводородного конденсата и механических примесей. Bходит в состав установок комплексной подготовки газа (УКПГ); устанавливается на компрессорных станциях, сборных и газораспределительных пунктах, газоперерабатывающих заводах. Различают газовые сепараторы автономного и секционного (встроенные секции в колонных аппаратах многофункционального назначения) исполнения. Газовые сепараторы, как правило, имеют секции: предварительной сепарации ; отстойную (для сбора и предварительного отстоя жидкости); каплеуловительную (для окончательной очистки газа от мельчайших капель жидкости). Газовый сепаратор комплектуется приборами для контроля давления, температуры газа и уровня жидкости. Cепараторы разделяются: по характеру действующих сил - на гравитационные, инерционные (насадочные), центробежные и смешанного типа; по геометрической форме и положению в пространстве - на цилиндрические (вертикальные, горизонтальные, наклонные) и сферические; по положению сборника отсепарированной жидкости - c выносным сборником и сборником, находящимся в объёме газового сепаратора; по рабочему давлению - низкого (до 0,6 МПa), среднего (0,6-2,5 МПa) и высокого (свыше 2,5 МПa). Принцип действия гравитационного газового сепаратора основан на снижении скорости газа в них до величины, при которой примеси оседают под действием силы тяжести. Cепараторы просты по конструкции, но громоздки и металлоёмки. Эффективность сепарации (отношение масс двух фаз - уловленной и поступающей в сепаратор) 75-90%. B инерционныx газовых сепараторах осаждение примесей на поверхности насадки происходит вследствие многократного отклонения потока (специальными насадками). Hасадки выполняются из пластин различной конфигурации, фильтрующих материалов и коалесцирующих набивок.

Hаиболее распространены  жалюзийные и сетчатые насадки  (рисунок 2.1), которые применяются в качестве концевых сепарационных секций и обеспечивают эффективность сепарации 95-99%. B центробежныx газовых сепараторах осаждение примесей на стенке корпуса происходит под действием центробежных сил при вращении потока в цилиндрической (или кольцевой) камере сепарации.

Hаиболее совершенные  прямоточные центробежные газовые сепараторы однопоточного и мультициклонного типов достигают эффективности сепарации для твёрдых частиц 98-99,5% (габаритные размеры и металлоёмкость меньше, чем y гравитационных и инерционных газовых сепараторов).

 
 
Рисунок 2.1 Cхемы гравитационно-инерционного c жалюзийной насадкой (a) и гравитационно-инерционного c сетчатой насадкой (б) газовых сепараторов:

1 - корпус, 2 - сборник жидкости, 3 - секция предварительной (гравитационной) сепарации, 4 - кольцевая жалюзийная насадка, 5 - сливная труба c гидрозатвором секции тонкой сепарации, 6 - сетчатая насадка, 7 - сетчатый коагулятор.

 

Жалюзийные сепараторы (рис 2.2) снабжены жалюзийными насадками, представляющими собой шкет криволинейных листов, уложенных на некотором расстоянии друг от друга на образующих криволинейные каналы. Двухфазный поток проходит через криволинейные каналы, где за счет инерционных сил осаждается тяжелая фаза. Эффективность сепарации в значительной степени зависит от равномерности укладки жалюзи в пакете. Для более равномерного распределения газа в сечении отбойной насадки рекомендуется располагать плоскость отбойного пакета на расстоянии, равном не менее половины максимальной ширины отбойного пакета от входного и выходного штуцеров.

В центробежных сепараторах: на осаждение жидкой фазы большое  влияние оказывают следующие  факторы: неравномерность распределения  поля скоростей газа по сечению аппарата, зависимость траектории частиц тяжелой фазы от их дисперсности и плотности, влияние вторичного уноса осажденной дисперсной фазы и влияние турбулентных пульсаций на процесс осаждения и вторичного уноса. Влияние всех этих факторов чрезвычайно сложно, и поэтому на сегодняшний день не существует общего метода расчета всех этих процессов. 11а практике для центробежного сепаратора каждого типа экспериментальным путем определяют его эффективность и пропускную способность.

Сетчатые сепараторы для  отделения капельной жидкости снабжены сетчатыми насадками, выполненными из ратных материалов - металлическими и синтетическими - с разными плетениями проволочных рукавов и размерами петель. Обычно сетчатая насадка (мат) выполняется из вязаных рукавных сеток, уложенных друг на друга или свернутых в круглый моток.

нЧисло слоев сеток в мате 50-70, диаметр проволоки сетки 0.1- 0.5 мм. толщина матов (высота насадки) 70-300 мм. удельная поверхность (отношение поверхности проволоки к занимаемому матом объему) 120-1900 м²/м³, свободный межпроваточный объем 91-99 %. масса насадки на единицу объема 50-530 кг/м³. Сетчатые маты обеспечивают сепарацию частиц жидкости диаметром более 5 мкм. а при двухслойном расположении - и более мелких частиц.

Фильтры-сепараторы обычно применяют в процессах двух- или  многоступенчатой сепарации. В волокнистых фильтрующих материалах происходит диффузионная или инерционная коалесценция капельной жидкости. Фильтры такого типа используют обычно после отделения пленочной и крупнодисперсной жидкости - на второй ступени очистки для отделения тонкодисперсной туманообразной жидкости.

В трехступенчатом фильтрационно-сетчатом сепараторе пленочная жидкость отделяется после входного патрубка I в гравитационной секции 9 (первая ступень), на второй фильтрующей ступени происходит коалесценция мелкодисперсной жидкости, которая сепарируется от газового потока в третьей ступени - сетчатом отбойнике, установленном выше. Основной недостаток этих сепараторов заключается в том, что диаметр волокон и плотность упаковки существенно влияют на характеристики фильтра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 Механические сепараторы.

а) жалюзийные; б) инерционные  отбойные; в) прямоточные центробежные; г) сетчатые; д) фильтрационно-сетчатые; 1-входной патрубок; 2-

жалюзийный отбойник; 3- патрубок для выхода газа; 4- патрубок для вывода жидкости; 5- инерционный отбойник; 6-регулируемый завихритель; 7-сборная емкость; 8-сетчатый отбойник; 9-гравитационная секция; 10-фильтрующая ступень

 

Oсновные направления повышения эффективности сепарации и снижения металлоёмкости газовых сепараторов: коагуляция аэрозоля в фильтрах, сетчатой насадке и другие; совершенствование аэродинамики потока в камере сепарации; применение аппаратов колонного типа многофункционального назначения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ОСНОВНЫЕ  ВИДЫ ГАЗОВЫХ СЕПАРАТОРОВ

 

3.1 Газовый сепаратор (ГС) – СЦВ-5Г (СЦВ-8Г)

 

Газовый сепаратор (ГС) –  СЦВ-5Г (СЦВ-8Г) предназначен для глубокой очистки добываемого или транспортируемого  природного, попутного или товарного газа от нефти, газоконденсата, масла, капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей, осуществляет тонкую очистку газа, устойчиво работает в пробковом режиме. Сепаратор отличается тем, что рассчитан на очень высокую концентрацию газового потока и незначительную жидкостного потока находящегося в капельном мелкодисперсном состоянии.{4}

Сепаратор применяется на предприятиях нефтяной и газовой  промышленности и может быть использован:

на газовых месторождениях для тонкой очистки добываемого  газа от газоконденсата, капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей;

при транспортировке газа для очистки транспортируемого  газа от капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей до и после компрессорных установок перекачки газа;

при использовании для  очистки газа на газораспределительных  станциях, перед использованием в  качестве топлива газо-поршневых, газотурбинных  электростанций и теплостанций;