Способ подготовки попутного нефтяного газа, установка и система для подготовки попутного нефтяного газа
METHOD FOR PREPARATION OF ASSOCIATED PETROLEUM GAS, INSTALLATION AND SYSTEM FOR PREPARATION OF ASSOCIATED PETROLEUM GAS

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к области подготовки и переработки попутного нефтяного газа. Изобретение  предназначено для подготовки попутного нефтяного газа к последующей транспортировке или другому виду полезного использования (в качестве топлива для тепловых целей или генерации электроэнергии в двигателе внутреннего сгорания) путем выделения капельной и паровой жидкости (гомологов метана С2+ и воды) из потока попутного нефтяного газа.
Известно, что охлаждение ПНГ в процессе подготовки обеспечивает конденсацию содержащейся в потоке газа жидкости. Однако при значительном охлаждении газа образуются газовые гидраты, которые могут образовывать наросты на внутренних стенках газопроводов.
Также в процессах подготовки ПНГ широко используется компримирование. Однако, использование компрессоров приводит к снижению энергоэффективности процесса подготовки ПНГ, требует дополнительных затрат, также при компримировании газа повышается риск образования гидратов.
Известен способ подготовки углеводородного газа к транспорту, а также установка для реализации известного способа (патент РФ №2294429, опубл. 27.02.2007, МПК: E21B 43/34,), включающий подачу газа с кустов скважин на технологическую линию трехступенчатой сепарации, охлаждение газа перед промежуточным сепаратором в первом теплообменнике и низкотемпературным сепаратором за счет второго теплообменника и дроссель-эффекта, при этом давление на технологической линии понижают в две ступени - вначале перед низкотемпературным сепаратором, обеспечивая в нем требуемые температуру и давление, а затем перед первым теплообменником по обратному потоку газа, до давления, при котором обеспечивают транспортировку газа на вход дожимной компрессорной станции для компримирования.
Общими признаками известного и заявляемого способа являются охлаждение газа в двух или более теплообменниках, охлаждение газа с использованием температурного потенциала газа, выходящего из сепаратора, отделение жидкости из потока газа в сепараторе. Общими признаками известной и заявляемых установки и системы являются наличие двух теплообменных аппаратов и сепаратора.
Однако, в известной установке при реализации способа используется очень низкая температура (-30°С) потока газа, а также используется стадия компримирования газа, что повышает риск образования гидратов, а также приводит к высоким капитальным и эксплуатационным затратам, низкой энергоэффективности. Кроме того, теплообменные аппараты известной установки установлены не последовательно непосредственно друг за другом, а между ними установлен сепаратор для отделения сконденсированной жидкости, в связи с чем установка не может быть реализована в компактном исполнении (высокие массогабаритные характеристики, сложная конструкция), поэтому ее использование в условиях промысловой добычи углеводородов неэффективно.
Известна установка подготовки углеводородного газа (патент РФ №2224581, опубл. 27.02.2004 , МПК: B01D 53/00, F25J 3/08), включающая компрессор, холодильник газа, скруббер, сепаратор для отделения газа от жидкости, соединенный с выходом газа из скруббера и емкость для рециркуляции воды, соединенную со скруббером, при этом она дополнительно снабжена рекуперативным теплообменником, промежуточным сепаратором и воздушным холодильником, причем вход газа в рекуперативный теплообменник соединен с выходом газа из компрессора, а выход газа из рекуперативного теплообменника соединен со входом газа в холодильник газа, при этом выход воды из емкости рециркуляции воды дополнительно соединен со входом воды в рекуперативный теплообменник, выход воды из которого соединен через промежуточный сепаратор и воздушный холодильник с емкостью рециркуляции воды.
Общими признаками известного и заявляемого способов являются охлаждение потока газа в рекуперативном теплообменнике, в холодильнике газа, а также отделение жидкости в сепараторе. Общими признаками известной и заявляемых установки и системы являются рекуперативный теплообменник, холодильник газа, сепаратор, соединение выхода газа из рекуперативного теплообменнике со входом газа в холодильник газа.
Однако, известный способ и установка обеспечивают высокую степень отделения жидкости только за счет компримирования газа, а также очищения в скруббере, что приводит к снижению энергоэффективности такого способа, усложнению конструкции и ее высоким массогабаритным характеристикам.
Ближайшим аналогом (прототипом) является техническое решение (заявка US 2019/0093039, опубл. 28.03.2019 г, МПК: E21B 43/40, E21B 43/36, B01D 53/26, C10L 3/08), из которого известны способ и система дегидратации газа и ингибирования гидратообразования. Система включает сепараторы, устройство добавления ингибитора гидратообразования, а также теплообменники для охлаждения потока газа.
Общими признаками известного и заявляемого способа являются охлаждение потока газа до двух разных диапазонов температур, отделение жидкости из потока газа в сепараторах, при этом во втором теплообменном аппарате охлаждение потока газа проводят предпочтительно до температуры от 0°C до 10°C. Общими признаками известной системы и заявляемых системы и установки являются наличие сепаратора, а также двух теплообменных аппаратов с возможностью охлаждения потока газа до разных температурных диапазонов.
Однако, теплообменные аппараты в известном техническом решении установлены не непосредственно последовательно друг за другом, а перед вторым и третьим сепаратором для отделения сконденсированной жидкости, что не обеспечивает использование разницы температур для выделения жидкости из потока газа при реализации способа. В результате для исключения гидратообразования в известном техническом решении используют ингибитор гидратообразования. Это приводит к усложнению установки для реализации способа и повышению ее массогабаритных характеристик при обеспечении достаточной степени очистки потока газа от жидкости и механических примесей.
Техническим результатом является обеспечение высокой степени отделения жидкости и механических примесей из потока газа, снижение степени гидратообразования, с одновременным повышением энергоэффективности установки, улучшением массогабаритных характеристик и упрощением конструкции. Повышение эффективности подготовки ПНГ в результате использования предлагаемых способа, установки и системы для подготовки ПНГ позволяет упростить конструкцию, а также снизить ее массогабаритные характеристики.
Технический результат достигается при осуществлении способа подготовки попутного нефтяного газа, который включает следующие последовательные стадии:  охлаждение потока попутного нефтяного газа (ПНГ) в первом рекуперативном теплообменном аппарате до температуры от 5°C до 20°C обратным потоком ПНГ, поступающим после отделения жидкости; охлаждение потока ПНГ до температуры от 0°C до 10°C во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения; деление жидкости от потока ПНГ в сепараторе по меньшей мере на одном сепарационном элементе и ее отвод; нагревание потока ПНГ, выходящего из сепаратора после отделения жидкости.
Достижение технического результата обеспечивается в результате последовательного охлаждения в заявленных температурных диапазонах без отделения влаги из потока ПНГ, в которых обеспечивается конденсация паровой и капельной жидкости, укрупнение капель в результате абсорбции жидкости на поверхности образующихся капель, с последующим отделением укрупненных капель на сепарационных элементах сепаратора. В рамках заявленного изобретения последовательное охлаждение подразумевает, что во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения, обеспечивается снижение температуры потока ПНГ по сравнению с температурой, до которой поток ПНГ был предварительно охлажден в рекуперативном теплообменном аппарате.
Охлаждение в первом рекуперативном теплообменном аппарате в диапазоне температур от 5°C до 20°C позволяет обеспечить конденсацию жидкости с образованием капель в потоке газа и снизить при этом риск образования гидратов. Снижение температуры ниже 5°C будет приводить к увеличению риска образования гидратов. Повышение температуры выше 20°C будет снижать эффективность процесса конденсации и, соответственно, в целом эффективность способа подготовки ПНГ.
Последующее охлаждение потока ПНГ во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения, в диапазоне температур от 0°C до 10°C обеспечивает не только конденсацию жидкости в потоке газа, но одновременно абсорбцию воды и углеводородов состава С3+ в парообразном состоянии на поверхности капель, которые содержатся в потоке ПНГ после охлаждения в первом рекуперативном теплообменном аппарате и выступают как центры конденсации. Обеспечение условий абсорбции жидкости в газообразном состоянии на поверхности капель интенсифицирует процесс отделения жидкости из потока газа. Процесс абсорбции в данном случае связан с нарушением термодинамического равновесия в потоке газа. Снижение температуры ниже 0°C будет приводить к образованию гидратов, а также твердой фазы в форме льда, что связано с риском выхода из строя оборудования. Повышение температуры выше 10°C будет приводить к более быстрому установлению термодинамического равновесия, что будет снижать эффективность абсорбции и укрупнения капель жидкости, а также будет повышать температуру потока газа, который после сепаратора обеспечивает охлаждение потока ПНГ на входе в установку в первом рекуперативном теплообменном аппарате.
В результате такое последовательное охлаждение в заданных интервалах температур позволяет интенсифицировать процесс укрупнения капель жидкости. Процесс абсорбции в данном случае основан на смещении термодинамического равновесия при взаимодействии потока газа с охлажденными каплями жидкости. Охлаждение только в одном теплообменном аппарате при низких температурах (ниже 10°C) будет приводить к риску образования гидратов, при температурах выше 10°C будет приводить к низкой эффективности процесса конденсации, при этом между охлажденными каплями и потоком газа будет быстрее устанавливаться термодинамическое равновесие. Последовательное охлаждение обеспечивает снижение риска образования гидратов и одновременно смещение термодинамического равновесия в сторону образования жидкой фазы, отделение которой обеспечивается на сепарационных элементах. При этом использование потока ПНГ, поступающего из сепаратора после отделения жидкости, для охлаждения потока ПНГ, входящего в установку, обеспечивает повышение энергоэффективности заявленного способа.
Степень охлаждения потока ПНГ в первом рекуперативном теплообменном аппарате зависит от исходной температуры и состава газа, а также от состава и температуры отсепарированного (очищенного) газа, от их теплоемкостей, плотностей и точек росы. Температура во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения, определяется в зависимости от температуры, до которой поток ПНГ охладился в первом рекуперативном теплообменном аппарате, для обеспечения смещения термодинамического равновесия в потоке газа.
Охлаждение потока ПНГ в первом рекуперативном теплообменном аппарате может осуществляется предпочтительно до температуры от 8°C до 15°C, а во втором рекуперативном теплообменном аппарате, который соединен с контуром охлаждения, до температуры от 2°C до 7°C.
Сепарационный элемент может быть выполнен из проволоки с гидрофобной поверхностью и проволоки с гидрофильной поверхностью, что будет приводить к повышению эффективности отделения охлажденной жидкости, а также к снижению газодинамического сопротивления сепарационных элементов.
Эффективность отделения укрупненных капель на сепарационных элементах сепаратора, выполненных из проволок с гидрофильной и проволок с гидрофобной поверхностью связана с тем, что укрупненные капли, например, воды при взаимодействии с проволоками с гидрофильной поверхностью в результате сил гравитации быстрее отводятся с сепарационных элементов, что снижает сопротивление сепарационных элементов и повышает их эффективность. При этом укрупнение капель жидкости в процессе последовательного охлаждения снижает вероятность проскока капель жидкости с потоком газа через сепарационные элементы, например капель воды вдоль проволок с гидрофобной поверхностью, которые обеспечивают усиление турбулентного режима укрупнения капель воды из потока газа, но при этом не обеспечивают отделение мелких капель воды, что может провести к «проскоку» капель воды вдоль проволок с гидрофобной поверхностью с потоком газа.
Поверхность сепарационного элемента может быть гидрофобной. Использование сепарационных элементов с гидрофобной поверхностью позволяет отделить укрупненные в процессе охлаждения и абсорбции капли - дополнительно укрупнить, в результате укрупненные капли отделяются под действием гравитации.
Значение температуры изотермы контура охлаждения может быть ниже на величину от 2°С до 10°С температуры охлаждения потока ПНГ во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения. Это позволяет дополнительно повысить энергоэффективность заявляемого способа. Контур охлаждения содержит хладагент и значение температуры изотермы контура охлаждения может поддерживаться путем изменения давления хладагента контура охлаждения. Изменение давления хладагента контура охлаждения может обеспечивается компрессором контура охлаждения, либо регулирующим клапаном.
Способ дополнительно может включать отделение сконденсированной жидкости от потока ПНГ при охлаждении во втором рекуперативном теплообменном аппарате, который соединен с контуром охлаждения. Это позволяет отделить лишнюю жидкость при ее высоком содержании в потоке газа, которая под действием сил гравитации может отделяться из потока газа в процессе охлаждения и скапливаться в нижней части теплообменного аппарата.
Способ дополнительно может включать обеспечение вихревого потока (завихрения потока ПНГ) при охлаждении во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения. Это позволит равномерно распределить капли жидкости в охлажденном потоке ПНГ, что повысит степень абсорбции воды и углеводородов в парообразном состоянии на поверхности капель.
Разница между давлением потока ПНГ перед охлаждением и давлением потока ПНГ после отделения жидкости может составлять от 0,01 МПа до 0,1 МПа.
Скорость потока ПНГ может составлять от 12 м/с до 30 м/с. За счет обеспечения заданной скорости газа в трубопроводе, соединяющем теплообменные аппараты, и трубопроводе, соединяющим второй рекуперативный теплообменный аппарат и сепаратор, обеспечивается вынос сконденсированной жидкой фазы, а также ее контакт с газовой средой, что обеспечивает дополнительный процесс абсорбции компонентов газа С2+ в жидкую фазу и позволяет исключить из конструкции теплообменников выхода для отделения и транспортировки жидкой фазы.
Первый рекуперативный теплообменный аппарат может представлять собой несколько последовательно соединенных рекуперативных теплообменников. Второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения, может представлять собой несколько последовательно соединенных теплообменников, которые подключены к одному контуру охлаждения.
Первый рекуперативный теплообменный аппарат и второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения, могут быть объединены в одном корпусе.
Может быть задано значение температуры во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения, и обеспечено ее поддержание путем регулирования температуры контура охлаждения в зависимости от температуры потока ПНГ, который охлаждается в первом рекуперативном теплообменном аппарате.
Данные о температуре потока ПНГ, который охлаждается в первом рекуперативном теплообменном аппарате, могут быть получены в блоке контроля и управления температурой ПНГ, и температура может поддерживаться путем анализа и формирования управляющего сигнала в блоке контроля и управления температурой ПНГ.
Технический результат достигается для установки подготовки попутного нефтяного газа, которая включает последовательно соединенные трубопроводом первый рекуперативный теплообменный аппарат, второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения, сепаратор, при этом первый рекуперативный теплообменный аппарат выполнен с возможностью обеспечения охлаждения потока ПНГ до температуры от 5°С до 20°С потоком ПНГ, поступающим из сепаратора,  имеет вход для ПНГ, который является входом установки, выход для ПНГ, который соединен со входом для ПНГ второго рекуперативного теплообменного аппарата, а также вход для ПНГ, поступающего из сепаратора, который соединен с выходом для ПНГ сепаратора, и выход для ПНГ, поступающего из сепаратора, который является выходом из установки; второй рекуперативный теплообменный аппарат выполнен с возможностью обеспечения охлаждения потока ПНГ до температуры от 0°С до 10°С, имеет вход для ПНГ и выход для ПНГ, соединенный со входом для ПНГ сепаратора, а также соединен через вход и выход для хладагента с контуром охлаждения, который включает по крайней мере регулирующий элемент и компрессор, включающий электродвигатель; сепаратор имеет вход для ПНГ, выход для ПНГ, а также выход для отделенной жидкости и по меньшей мере один сепарационный элемент.
Технический результат достигается за счет последовательного расположения теплообменных аппаратов, в которых обеспечивается охлаждение в заявленных температурных диапазонах, в результате чего в потоке ПНГ образуются капли жидкости, которые выступают в качестве абсорбента и укрупняются, как описано выше. За счет последовательного соединения трубопроводами теплообменных аппаратов и сепаратора также обеспечивается продолжительный контакт сконденсированной жидкой фазы с газовой средой, что обеспечивает дополнительный процесс абсорбции компонентов газа С3+ в жидкую фазу и это позволяет исключить из конструкции теплообменных аппаратов выходы для отделения и транспортировки жидкой фазы. Это позволяет повысить степень отделения жидкости и механических примесей из потока газа, снизить риск гидратообразования, а также приводит к упрощению конструкции и снижению ее массогабаритных характеристик.
Вход для ПНГ первого рекуперативного теплообменного аппарата может быть выполнен с возможностью подключения элементов контроля температуры, давления и расхода ПНГ, выход для ПНГ второго рекуперативного теплообменного аппарата может быть выполнен с возможностью подключения элементов контроля температуры потока ПНГ, контур охлаждения может быть выполнен с возможностью подключения элементов контроля температуры хладагента, а выход для ПНГ сепаратора может быть выполнен с возможностью подключения элемента контроля температуры ПНГ.
Технический результат достигается также для системы для подготовки попутного нефтяного газа, которая включает последовательно соединенные трубопроводом первый рекуперативный теплообменный аппарат, второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения, сепаратор, а также блок контроля и управления температурой потока ПНГ, при этом первый рекуперативный теплообменный аппарат выполнен с возможностью обеспечения охлаждения потока ПНГ до температуры от 5°С до 20°С потоком ПНГ, поступающим из сепаратора,  имеет вход для ПНГ, который является входом установки и содержит элементы контроля температуры, давления и расхода ПНГ, выход для ПНГ, который соединен со входом для ПНГ второго рекуперативного теплообменного аппарата, а также вход для ПНГ, поступающего из сепаратора, который соединен с выходом для ПНГ сепаратора, и выход для ПНГ, поступающего из сепаратора, который является выходом из установки; второй рекуперативный теплообменный аппарат выполнен с возможностью обеспечения охлаждения потока ПНГ до температуры от 0°С до 10°С, имеет вход для ПНГ и выход для ПНГ, соединенный со входом для ПНГ сепаратора и содержащий элементы контроля температуры потока ПНГ, а также соединен через вход и выход для хладагента с контуром охлаждения, который включает по крайней мере регулирующий элемент и компрессор, включающий электродвигатель, при этом контур охлаждения элементы контроля и управления температуры хладагента; сепаратор имеет вход для ПНГ, выход для ПНГ, который соединен со входом для ПНГ первого рекуперативного теплообменного аппарата и содержит элемент контроля температуры ПНГ, а также выход для отделенной жидкости и по меньшей мере один сепарационный элемент; блок контроля и управления температурой потока ПНГ соединен с вышеуказанными элементами контроля и управления.
Технический результат достигается, как указано выше, за счет последовательно расположенных теплообменных аппаратов, которые выполнены с возможностью охлаждения потока ПНГ в заявленных температурных диапазонах, а также блока контроля и управления температурой ПНГ, который обеспечивает контроль и управление работой заявляемой системой.
Предпочтительно первый рекуперативный теплообменный аппарат может быть выполнен с возможностью обеспечения охлаждения потока ПНГ потоком ПНГ, который поступает из сепаратора после отделения жидкости, осуществляется до температуры от 8°C до 15°C, а второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения, с возможностью обеспечения охлаждения потока ПНГ до температуры от 2°C до 7°C.
Сепарационный элемент сепаратора установки и системы для подготовки ПНГ может быть выполнен из проволок с гидрофильной и проволок с гидрофобной поверхностью. Это позволяет дополнительно повысить эффективность отделения жидкости и механических примесей из потока ПНГ, а также снизить газодинамическое сопротивление сепарационных элементов. Либо поверхность сепарационного элемента может быть только гидрофобной, или может использоваться и любой известный сепарационный элемент с немодифицированной поверхностью.
Второй рекуперативный теплообменный аппарат установки и системы, соединенный с контуром охлаждения, дополнительно может содержать выход для сконденсированной жидкости, а также может дополнительно содержать по меньшей мере одно устройство для завихрения потока ПНГ.
Контур охлаждения установки и системы дополнительно может содержать устройства для поддержания температуры для обеспечения значений изотермы контура охлаждения ниже на величину от 2°С до 10°С температуры охлаждения газа во втором рекуперативном теплообменном аппарате, соединенном с контуром охлаждения.
Трубки обоих теплообменных аппаратов и установки, и системы могут иметь горизонтальное расположение.
Поверхности внутренних элементов обоих теплообменных аппаратов и установки, и системы могут быть гидрофобными.
Первый рекуперативный теплообменный аппарат установки и системы может представлять собой несколько последовательно соединенных рекуперативных теплообменников.
Второй рекуперативный теплообменный аппарат установки и системы может представлять собой несколько последовательно соединенных теплообменников, которые подключены к одному внешнему контуру охлаждения.
Теплообменные аппараты могут быть объединены в одном корпусе.
Регулирующий элемент контура охлаждения установки и системы может представлять собой устройство включения и выключения электродвигателя компрессора.
Между выходом для ПНГ сепаратора, который соединен со входом для ПНГ первого рекуперативного теплообменного аппарата, и входом для ПНГ первого рекуперативного теплообменного аппарата потока ПНГ установки и системы дополнительно может содержаться система сброса газа в коллектор факельных газов.
Второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения, системы подготовки ПНГ дополнительно может содержать элемент контроля уровня жидкости. Рекуперативный теплообменный аппарат в рамках заявленного изобретения - теплообменник, в котором теплообмен осуществляется между охлаждающей и охлаждаемой средой, пространства которых разделены.
Предлагаемая конструкция установки и системы позволяет обеспечить эргономичное расположение (возможно блочно-модульное исполнение; расположение на одной платформе) теплообменников и сепаратора, что позволит улучшить массогабаритные характеристики.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На фигуре 1 представлена общая схема системы для подготовки попутного нефтяного газа, где
1 - первый рекуперативный теплообменный аппарат,
2 - второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения,
3 - сепаратор,
4 - сепарационные элементы,
5 - компрессор,
6 - ёмкость с хладагентом,
7 - аппарат воздушного охлаждения,
8 - электродвигатель,
9 - клапан,
A - поток ПНГ, который входит в установку (в первый рекуперативный теплообменный аппарат),
B - поток охлажденного ПНГ, который входит во второй рекуперативный теплообменный аппарат, соединенный с контуром охлаждения,
C - поток охлажденного ПНГ, который входит в сепаратор,
D - поток ПНГ, который выходит из сепаратора,
E - поток отделенной жидкости, которая выходит из сепаратора,
F - поток ПНГ, который выходит из установки (из рекупертивного теплообменного аппарата).
Способ подготовки попутного нефтяного газа, согласно которому последовательно охлаждают поток попутного нефтяного газа (ПНГ) A в первом рекуперативном теплообменном аппарате 1 до температуры от 5°C до 20°C обратным потоком ПНГ D после отделения жидкости, затем поток ПНГ B охлаждают до температуры от 0°C до 10°C во втором рекуперативном теплообменном аппарате 2, соединенном с контуром охлаждения 10, затем от потока ПНГ C в сепараторе 3 на сепарационном элементе 4 отделяют и отводят сконденсированную при охлаждении жидкость E, после чего нагревают поток ПНГ D в рекуперативном теплообменном аппарате 1.
Ниже представлены примеры реализации способа подготовки попутного нефтяного газа и использования установки и системы для подготовки попутного нефтяного газа.
Пример 1. Попутный нефтяной газ, поток A, в количестве 30306 кг/ч, с составом, указанным в таблице 1, и температурой 30°С подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где газ охлаждается до температуры 19,2°С потоком ПНГ D, который выходит из сепаратора 3, с температурой 7°С.
Затем охлажденный поток ПНГ B подают во второй рекуперативный теплообменный аппарат 2, где он охлаждается хладагентом, имеющим температуру 3°С, до температуры 7°С. После чего поток ПНГ C подают в сепаратор 3, где от потока газа отделяют капельную жидкость E и отводят через выход для отвода жидкости.
После отделения жидкости поток ПНГ D подают в рекуперативный теплообменный аппарат, где его энергетический потенциал используется для предварительного охлаждения потока ПНГ A, который входит в установку для подготовки ПНГ.
В таблице 1 указаны состав потока ПНГ на входе в установку, а также составы потока ПНГ на выходе из установки и состав отделенной жидкости. Для получения из заданного количества потока ПНГ с заданным составом 325 кг/ч жидкости потребовалось затратить 52,9 кВт/ч энергии хладагента холодильного цикла. Эта величина в 4-6 раз меньше, чем требуется для получения аналогичного количества жидкости с применением известных способов (компримирование с последующим редуцированием газа, низкотемпературная конденсация с применением внешнего холодильного цикла и др.).
Таблица 1.
Единицы измерения
Поток ПНГ
A
B
C
D
E
F
Физические параметры потоков
Температура
°C
30
19,18428
7
6,954323
7
22
Давление
кПа
784,5322
735,4989
686,4656
681,5623
686,4656
632,5291
Количество
Кг/ч
3631,149
3631,149
3631,149
3306,151
324,998
3306,151
Составы потоков
Метан
Мол. фракция
0,661604
0,661604
0,661604
0,688755
0,028041
0,688755
Этан
Мол. фракция
0,051244
0,051244
0,051244
0,052844
0,01392
0,052844
Пропан
Мол. фракция
0,12664
0,12664
0,12664
0,126389
0,132508
0,126389
Изобутан
Мол. фракция
0,042857
0,042857
0,042857
0,039884
0,112228
0,039884
Бутан
Мол. фракция
0,061767
0,061767
0,061767
0,054774
0,224946
0,054774
Изопентан
Мол. фракция
0,013707
0,013707
0,013707
0,009739
0,10629
0,009739
Пентан
Мол. фракция
0,014037
0,014037
0,014037
0,008899
0,133916
0,008899
Вода
Мол. фракция
0,004975
0,004975
0,004975
0,001464
0,086912
0,001464
Азот
Мол. фракция
0,012794
0,012794
0,012794
0,013336
0,00015
0,013336
Углекислый газ (СО<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000765
0,000765
0,000765
0,000794
8,32E-05
0,000794
Кислород (О<sub>2</sub>)
Мол. фракция
4,85E-05
4,85E-05
4,85E-05
5,06E-05
1,24E-06
5,06E-05
Гексан
Мол. фракция
0,009562
0,009562
0,009562
0,003072
0,161004
0,003072
Пример 2. Попутный нефтяной газ, поток A, в количестве 30306 кг/ч, с составом, указанным в таблице 2, и температурой 25°С подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где газ охлаждается до температуры 17,3°С потоком ПНГ D, который выходит из сепаратора, с температурой 2,9°С.
Затем охлажденный поток ПНГ B подают во второй рекуперативный теплообменный аппарат 2, где он охлаждается хладагентом, имеющим температуру 0°С, до температуры 3°С. После чего поток ПНГ C подают в сепаратор 3, где от потока газа отделяют капельную жидкость E и отводят через выход для отвода жидкости.
После отделения жидкости поток ПНГ D подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где его энергетический потенциал используется для предварительного охлаждения потока ПНГ A, который входит в установку для подготовки ПНГ.
В таблице 2 указаны состав потока ПНГ на входе в установку, а также составы потока ПНГ на выходе из установки и состав отделенной жидкости. Для получения из заданного количества потока ПНГ с заданным составом 445,4 кг/ч жидкости потребовалось затратить 64,6 кВт/ч энергии хладагента холодильного цикла. Эта величина в 4-6 раз меньше, чем требуется для получения аналогичного количества жидкости с применением известных способов.
Таблица 2.
Единицы измерения
Поток ПГН
A
B
C
D
E
F
Физические параметры потоков
Температура
°C
25,0
17,3
3,0
2,9
3,0
17,0
Давление
кПа
784,5
735,4
686,4
681,5
686,4
632,5
Количество
Кг/ч
3631,1
3631,1
3631,1
3185,7
445,3
3185,7
Составы потоков
Метан
Мол. фракция
0,661604
0,661604
0,661604
0,699621
0,030041
0,699621
Этан
Мол. фракция
0,051244
0,051244
0,051244
0,053397
0,015476
0,053397
Пропан
Мол. фракция
0,126640
0,126640
0,126640
0,125297
0,148955
0,125297
Изобутан
Мол. фракция
0,042857
0,042857
0,042857
0,037993
0,123668
0,037993
Бутан
Мол. фракция
0,061767
0,061767
0,061767
0,050817
0,243670
0,050817
Изопентан
Мол. фракция
0,013707
0,013707
0,013707
0,008156
0,105909
0,008156
Пентан
Мол. фракция
0,014037
0,014037
0,014037
0,007128
0,128809
0,007128
Вода
Мол. фракция
0,004975
0,004975
0,004975
0,001106
0,069250
0,001106
Азот
Мол. фракция
0,012794
0,012794
0,012794
0,013555
0,000158
0,013555
Углекислый газ (СО<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000765
0,000765
0,000765
0,000806
0,000091
0,000806
Кислород (О<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000049
0,000049
0,000049
0,000051
0,000001
0,000051
Гексан
Мол. фракция
0,009562
0,009562
0,009562
0,002073
0,133972
0,002073
Пример 3. Попутный нефтяной газ, поток A, в количестве 30306 кг/ч, с составом, указанным в таблице 3, и температурой 25°С подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где газ охлаждается до температуры 15,2°С потоком ПНГ D, который выходит из сепаратора 3, с температурой 3,9°С. При этом поток D нагревается и из первого рекуперативного теплообменного аппарата (из установки) выходит поток F с температурой 17°С.
Затем охлажденный поток ПНГ B подают во второй рекуперативный теплообменный аппарат 2, где он охлаждается хладагентом, имеющим температуру 1°С, до температуры 4°С. После чего поток ПНГ C подают в сепаратор 3, где от потока газа отделяют капельную жидкость E и отводят через выход для отвода жидкости.
После отделения жидкости поток ПНГ D подают в рекуперативный теплообменный аппарат, где его энергетический потенциал используется для предварительного охлаждения потока ПНГ A, который входит в установку для подготовки ПНГ.
В таблице 3 указаны состав потока ПНГ на входе в установку, а также составы потока ПНГ на выходе из установки и состав отделенной жидкости. Для получения из заданного количества потока ПНГ с заданным составом 253,2 кг/ч жидкости потребовалось затратить 42,5 кВт/ч энергии хладагента холодильного цикла. Эта величина в 4-6 раз меньше, чем требуется для получения аналогичного количества жидкости с применением известных способов.
Таблица 3.
Единицы измерения
Поток ПНГ
A
B
C
D
E
F
Физические параметры потоков
Температура
°C
25,0
15,2
4,0
3,9
4,0
17,0
Давление
кПа
784,5
735,4
686,4
681,5
686,4
632,5
Количество
Кг/ч
3438,8
3438,8
3438,8
3185,6
253,2
3185,6
Составы потоков
Метан
Мол. фракция
0,699511
0,699511
0,699511
0,724379
0,025215
0,724379
Этан
Мол. фракция
0,043543
0,043543
0,043543
0,044763
0,010466
0,044763
Пропан
Мол. фракция
0,107609
0,107609
0,107609
0,107778
0,103025
0,107778
Изобутан
Мол. фракция
0,036417
0,036417
0,036417
0,034441
0,089987
0,034441
Бутан
Мол. фракция
0,052485
0,052485
0,052485
0,047661
0,183280
0,047661
Изопентан
Мол. фракция
0,011647
0,011647
0,011647
0,008729
0,090758
0,008729
Пентан
Мол. фракция
0,011927
0,011927
0,011927
0,008066
0,116617
0,008066
Вода
Мол. фракция
0,009327
0,009327
0,009327
0,001189
0,229984
0,001189
Азот
Мол. фракция
0,010871
0,010871
0,010871
0,011268
0,000106
0,011268
Углекислый газ (СО<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,008497
0,008497
0,008497
0,008780
0,000816
0,008780
Кислород (О<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000041
0,000041
0,000041
0,000043
0,000001
0,000043
Гексан
Мол. фракция
0,008125
0,008125
0,008125
0,002902
0,149744
0,002902
Пример 4. Попутный нефтяной газ, поток A, в количестве 30306 кг/ч, с составом, указанным в таблице 4, и температурой 25°С подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где газ охлаждается до температуры 18,8°С потоком ПНГ D, который выходит из сепаратора, с температурой 7°С.
Затем охлажденный поток ПНГ B подают во второй рекуперативный теплообменный аппарат 2, где он охлаждается хладагентом, имеющим температуру 5°С, до температуры 7°С. После чего поток ПНГ C подают в сепаратор 3, где от потока газа отделяют капельную жидкость E и отводят через выход для отвода жидкости.
После отделения жидкости поток ПНГ D подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где его энергетический потенциал используется для предварительного охлаждения потока ПНГ A, который входит в установку для подготовки ПНГ.
В таблице 4 указаны состав потока ПНГ на входе в установку, а также составы потока ПНГ на выходе из установки и состав отделенной жидкости. Для получения из заданного количества потока ПНГ с заданным составом 330,6 кг/ч жидкости потребовалось затратить 49,4 кВт/ч энергии хладагента холодильного цикла. Эта величина в 4-6 раз меньше, чем требуется для получения аналогичного количества жидкости с применением известных способов.
Таблица 4.
Единицы измерения
Поток ПНГ
A
B
C
D
E
F
Физические параметры потоков
Температура
°C
25,0
18,7
7,0
6,9
7,0
17,0
Давление
кПа
784,5
735,4
686,4
681,5
686,4
632,5
Количество
Кг/ч
3560,4
3560,4
3560,4
3229,8
330,6
3229,8
Составы потоков
Метан
Мол. фракция
0,668309
0,668309
0,668309
0,699131
0,024214
0,699131
Этан
Мол. фракция
0,069315
0,069315
0,069315
0,071858
0,016165
0,071858
Пропан
Мол. фракция
0,080868
0,080868
0,080868
0,081246
0,072956
0,081246
Изобутан
Мол. фракция
0,044262
0,044262
0,044262
0,041574
0,100427
0,041574
Бутан
Мол. фракция
0,063791
0,063791
0,063791
0,057187
0,201802
0,057187
Изопентан
Мол. фракция
0,014156
0,014156
0,014156
0,010232
0,096163
0,010232
Пентан
Мол. фракция
0,014497
0,014497
0,014497
0,009373
0,121574
0,009373
Вода
Мол. фракция
0,011336
0,011336
0,011336
0,001466
0,217592
0,001466
Азот
Мол. фракция
0,013213
0,013213
0,013213
0,013839
0,000132
0,013839
Углекислый газ (СО<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,010328
0,010328
0,010328
0,010775
0,000974
0,010775
Кислород (О<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000050
0,000050
0,000050
0,000052
0,000001
0,000052
Гексан
Мол. фракция
0,009875
0,009875
0,009875
0,003265
0,147999
0,003265
Пример 5. Попутный нефтяной газ, поток A, в количестве 3728,6 кг/ч, с составом, указанным в таблице 5, и температурой 15°С подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где газ охлаждается до температуры 5°С потоком ПНГ D, который выходит из сепаратора 3. При этом поток D нагревается и из первого рекуперативного теплообменного аппарата (из установки) выходит поток F с температурой 7°С.
Затем охлажденный поток ПНГ B подают во второй рекуперативный теплообменный аппарат 2, где он охлаждается хладагентом, имеющим температуру -2°С, до температуры 0°С. После чего поток ПНГ C подают в сепаратор 3, где от потока газа отделяют капельную жидкость E и отводят через выход для отвода жидкости.
После отделения жидкости поток ПНГ D подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где его энергетический потенциал используется для предварительного охлаждения потока ПНГ A, который входит в установку для подготовки ПНГ.
В таблице 5 указаны состав потока ПНГ на входе в установку, а также составы потока ПНГ на выходе из установки и состав отделенной жидкости. Для получения из заданного количества потока ПНГ с заданным составом 640 кг/ч жидкости потребовалось затратить 20,8 кВт/ч энергии хладагента холодильного цикла. Эта величина в 4-6 раз меньше, чем требуется для получения аналогичного количества жидкости с применением известных способов (компримирование с последующим редуцированием газа, низкотемпературная конденсация с применением внешнего холодильного цикла и др.).
Таблица 5.
Единицы измерения
Поток ПНГ
A
B
C
D
E
F
Физические параметры потоков
Температура
°C
15
5
0
-0,04696
0
7
Давление
кПа
784,5
735,5
686,6
681,6
686,5
632,5
Количество
Кг/ч
3728,6
3728,6
3728,6
3088,6
640,0
3088,6
Составы потоков
Метан
Мол. фракция
0,639389
0,639389
0,639389
0,694252
0,031227
0,694252
Этан
Мол. фракция
0,054608
0,054608
0,054608
0,057900
0,018125
0,057900
Пропан
Мол. фракция
0,134954
0,134954
0,134954
0,131556
0,172615
0,131556
Изобутан
Мол. фракция
0,045671
0,045671
0,045671
0,037473
0,136548
0,037473
Бутан
Мол. фракция
0,065822
0,065822
0,065822
0,048242
0,260693
0,048242
Изопентан
Мол. фракция
0,014606
0,014606
0,014606
0,006811
0,101014
0,006811
Пентан
Мол. фракция
0,014958
0,014958
0,014958
0,005673
0,117881
0,005673
Вода
Мол. фракция
0,005302
0,005302
0,005302
0,000891
0,054196
0,000891
Азот
Мол. фракция
0,013634
0,013634
0,013634
0,014848
0,000178
0,014848
Углекислый газ (СО<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000815
0,000815
0,000815
0,000879
0,000106
0,000879
Кислород (О<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000052
0,000052
0,000052
0,000056
0,000001
0,000056
Гексан
Мол. фракция
0,010189
0,010189
0,010189
0,001418
0,107416
0,001418
Пример 6. Попутный нефтяной газ, поток A, в количестве 3728,6 кг/ч, с составом, указанным в таблице 6, и температурой 40°С подают в первый рекуперативный теплообменный аппарат, где газ охлаждается до температуры 20°С потоком ПНГ D, который выходит из сепаратора. При этом поток D нагревается и из первого рекуперативного теплообменного аппарата (из установки) выходит поток F с температурой 32°С.
Затем охлажденный поток ПНГ B подают во второй рекуперативный теплообменный аппарат 2, где он охлаждается хладагентом, имеющим температуру 5°С, до температуры 10°С. После чего поток ПНГ С подают в сепаратор 3, где от потока газа отделяют капельную жидкость E и отводят через выход для отвода жидкости.
После отделения жидкости поток ПНГ D подают в рекуперативный теплообменный аппарат, где его энергетический потенциал используется для предварительного охлаждения потока ПНГ A, который входит в установку для подготовки ПНГ.
В таблице 6 указаны состав потока ПНГ на входе в установку, а также составы потока ПНГ на выходе из установки и состав отделенной жидкости. Для получения из заданного количества потока ПНГ с заданным составом 604,9 кг/ч жидкости потребовалось затратить 50,3 кВт/ч энергии хладагента холодильного цикла. Эта величина в 4-6 раз меньше, чем требуется для получения аналогичного количества жидкости с применением известных способов (компримирование с последующим редуцированием газа, низкотемпературная конденсация с применением внешнего холодильного цикла и др.)
Таблица 6.
Единицы измерения
Поток ПНГ
A
B
C
D
E
F
Физические параметры потоков
Температура
°C
40
20
10
9,953243
10
32
Давление
кПа
784,5
735,5
686,5
681,6
686,5
631,6
Количество
Кг/ч
3728,6
3728,6
3728,6
3123,6
604,9
3123,6
Составы потоков
Метан
Мол. фракция
0,597390
0,597390
0,597390
0,647478
0,026644
0,647478
Этан
Мол. фракция
0,071541
0,071541
0,071541
0,076105
0,019535
0,076105
Пропан
Мол. фракция
0,106982
0,106982
0,106982
0,107022
0,106522
0,107022
Изобутан
Мол. фракция
0,059832
0,059832
0,059832
0,052898
0,138841
0,052898
Бутан
Мол. фракция
0,086232
0,086232
0,086232
0,070345
0,267256
0,070345
Изопентан
Мол. фракция
0,019135
0,019135
0,019135
0,011122
0,110443
0,011122
Пентан
Мол. фракция
0,019596
0,019596
0,019596
0,009726
0,132065
0,009726
Вода
Мол. фракция
0,006946
0,006946
0,006946
0,001795
0,065630
0,001795
Азот
Мол. фракция
0,017862
0,017862
0,017862
0,019409
0,000228
0,019409
Углекислый газ (СО<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,001068
0,001068
0,001068
0,001151
0,000119
0,001151
Кислород (О<sub>2</sub>)
Мол. фракция
0,000068
0,000068
0,000068
0,000074
0,000002
0,000074
Гексан
Мол. фракция
0,013349
0,013349
0,013349
0,002873
0,132716
0,002873
Как видно из представленных примеров, в результате реализации заявленного способа с использованием заявленной установки обеспечивается высокая степень отделения жидкости (воды и углеводородов состава С3+) с низкими энергетическими затратами, т.е. в результате обеспечивается высокая энергоэффективность. При этом установке характерна упрощенная конструкция (два теплообменных аппарата, сепаратор и контур охлаждения), что обеспечивает снижение массогабаритных характеристик на 10-50% в зависимости от конкретных размеров аппаратов и их конфигурации. Снижение степени гидратообразования обеспечивается в результате исключения использования низких температур (значительно ниже 0°С) при охлаждении ПНГ. Возможность использования в составе системы подготовки ПНГ блока контроля и управления обеспечивается анализ и поддержание оптимальных температур.
Таким образом, приведенные примеры реализации подтверждают достижение технического результата - обеспечение высокой степени отделения жидкости и механических примесей из потока газа, снижение риска гидратообразования, с одновременным повышением энергоэффективности установки, улучшением массогабаритных характеристик и упрощением конструкции, за счет последовательного охлаждения потока газа в заявленных температурных диапазонах и последующего отделения на сепарационных элементах и отвода жидкости из потока газа.