Определение остаточного массового содержания дисперсной фазы в отсепарированном газе. Распределение концентраций дисперсных частиц в выходных трубопроводах сепарационного оборудования

УДК 532

Р. Р. Сираев, М. Н. Ахлямов, С. В. Юшко ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО МАССОВОГО СОДЕРЖАНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ОТСЕПАРИРОВАННОМ ГАЗЕ. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В ВЫХОДНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ СЕПАРАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Ключевые слова: Подготовка газа, массовое содержание дисперсной фазы, эффективность сепарации газа, капельная жидкость, дисперсная фаза, содержание капельной жидкости, измеритель содержания дисперсной фазы, изокинетический

отбор.

В данной статье рассмотрены вопросы изучения движения дисперсных частиц в газовых нисходящих и восходящих потоках, в выходных трубопроводах сепарационного оборудования; основные проблемы с которыми сталкиваются газодобывающие предприятия при анализе и оценки эффективной работоспособности сепарационного оборудования на установках комплексной подготовки природного газа.

Keywords: Preparation of gas, the weight content of the dispersed phase, the separation efficiency of gas, liquid drops, the dispersed phase, the content of liquid drops, measuring the content of the dispersed phase, isokinetic.

This article describes how to study the motion of dispersed particles in the gas flow downstream and upstream in the outlet duct separation equipment; the main problems faced by the gas companies in the analysis and evaluation of the effective performance of the separation equipment installations of complex preparation of natural gas.

Изучение процессов движения газов и жидкостей в технологическом оборудовании зачастую связано с турбулентными течениями, а в случае наличия второй фазы процесс движения приобретает непредсказуемый характер и сложно поддается теоретическому описанию. Чаще всего двухфазные течения можно наблюдать в технологических процессах установок подготовки природного газа. Турбулентные двухфазные течения представляет собой чрезвычайно сложный объект для исследования.

Одной из важнейших задач в газовой промышленности в необходимости эффективности процесса очистки природного газа от жидкостей и механических примесей которая осуществляется в сепараторах или пылеуловителях. Сепарация газа является необходимым условием очитки и предназначена для предохранения технологического оборудования от попадания жидких и твёрдых частиц в промысловые газосборные сети и оборудование газовых и газоконденсатных месторождений. Недостаточный уровень сепарации приводит к низкой эффективности промысловых газопроводов, 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.

Оценка эффективности сепарации позволяет определить конструктивное исполнение

сепарационного оборудования и избежать серьезных ошибок на этапе проектирования. Своевременное определение качества

поступающего газа и работы сепаратора позволяет принять решение о реконструкции либо модернизации аппарата, что положительно сказывается на экономической стороне вопроса. В любом случае, отправной точкой является измерение фактического содержания дисперсной фазы в газом потоке.

Эффективность работы сепаратора определяется коэффициентом сепарации (отношение массы, уловленной в сепараторе твёрдой или жидкой фазы, к массе этой же фазы, поступившей в сепаратор). При этом основной проблемой является измерение остаточного содержания дисперсной фазы в выходных потоках сепаратора. Из-за сложной геометрии входного в сепаратор трубопровода (наличие местных сопротивлений, горизонтальное его расположение, отсутствие прямых участков) изучать движение двухфазного потока перед сепарацией не является актуальным. Интерес представляет остаточное содержание дисперсной фазы в газовом потоке после сепаратора, так как было уже отмечено его количество существенно влияет на последующее установленное оборудование.

На сегодняшний день в газовой промышленности нашли применение несколько типов технических устройств, позволяющих определить содержание твёрдой и/или жидкой фазы в газовом потоке в обиходе называемые «измерителями уноса».

«Измерители уноса» основаны на прямом или косвенном методах измерения концентрации дисперсной фазы в газовом потоке. Наибольшее распространение получил метод отбора части потока, в том числе метод отбора пробы газа из газового ядра потока с помощью изокинетического зонда.

Широкое распространение нашли: индикатор уноса жидкости ГПР 420 разработки ДОАО «ЦКБН», а также измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке - ИСДФ-3 , ООО «ПЛКГРУП».

ГПР 420 принципиально представляет собой устройство для определения «уноса» жидкости и мехпримесей при движении газового потока.

Измеритель «уноса» жидкости в собранном виде состоит из двух основных частей:

1) зонд вводимый в газовое ядро потока реализованное с помощью устройства перемещения зонда;

2) устройство для отделения капельной жидкости или мехпримесей из потока газа, сбора и измерения объема отделившейся жидкости и измерения объема очищенного газа.

Рис. 1 - Эскиз компоновки индикатора ГПР420

На рис.1 представлена эскизная схема компоновки индикатора «уноса» ГПР420 (1 -устройство перемещения зонда отбора пробы; 2 -теплообменник; 3 - фильтр; 4 - емкость мерная; 5 -капельница; 6 - счетчик газа; 7 - стойка; 8 -подключающие шланги высокого давления; 9 -поключающие шланги низкого давления; 10 -вентиль пробы газа; 11 - вентиль газа термостадилизации; 12 - вентиль регулирующий; 13 - крышка быстросъемная; 14 - вентиль; 15 - пробка; 16 - вентиль капельницы).

Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке - ИСДФ-3 имеет такое же предназначение, однако отличительной

особенностью является то, что расходомер измеряет расход пропускаемого газа до начала дросселирования до атмосферного давления, тем самым исключает ошибку пересчета из рабочих условий в стандартные м3/ч.

Ниже (рис. 2) изображена схема подключения измерителя ИСДФ-3 (1 - устройство перемещения пробоотборного зонда; 2 - сепаратор; 3 - емкость мерная; 4 - кориолисовый измеритель расхода; 5 -капельница; 6 - факельная линия).

Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке ИСДФ-3 позволяет осуществлять отбор изокинетическим способом, благодаря корректно подобранной конструкцией наконечника зонда. Наконечники пробоотборного зонда использующий в ИСДФ-3 представлен на рис. 3, там же представлен наконечник ГПР 420.

Суть обоих технических устройств сводятся к тому, что зонд помещается в рабочую зону, через которое течет газа с содержанием дисперсных включений. Скорость отбора части потока осуществляется с использованием регулирующих устройств потока реализованных в каждом из технических устройств. Зонды в обоих случаях направлены навстречу потоку газа и имеют открытое отверстие. Однако как показывают

проведенные исследования [2], конструкция зонда существенно влияет на изокинетический отбор, особенно это касается толщины кромки наконечника зонда у самого отверстия. Дисперсные частицы свободно входят в отверстие зонда и выводятся в высокоэффективный сепаратор, где после разделения отдельно измеряется массовый расход газа в ИСДФ-3 (объемный расход в условиях отличных от стандартных) и количество дисперсной фазы. Для корректной оценки массовой концентрации дисперсной фазы в газовом потоке, кроме условий изобаричности, изотермичности необходимо выполнять условия корректного изокинетического отбора, достигаемого благодаря оптимально подобранной конструкции зонда (рис. 4).

Гибкое соединение Жесткое соединение

Рис. 2 - Схема подключения измерителя ИСДФ-3

а) наконечник зонда ГПР 420

б) наконечник зонда ИСДФ-3

Рис. 3 - Наконечники пробоотборных зондов

Как можно наблюдать в точке отбора отсутствует зона торможения потока наконечника, и поток отлично обтекает кромку наконечника зонда.

К сожалению, при наличии местных сопротивлений изокинетический отбор в локальной точке не всегда представляется возможным из-за искажения профиля скорости в трубопроводе. Также нет четкого представления о характере распределения дисперсной фазы в газовом потоке и

соответственно данный вопрос мало отражен в научных исследовательских работах. Характер и профиль распределения дисперсной фазы необходим для установки положения зонда с целью представительности отбора пробы потока. В большинстве случаях выходные трубопроводы с сепараторов имеют вертикальный участок около 715 условных диаметров или калибров с движением нисходящего вертикального потока. Работы по распределению концентраций дисперсных включений в нисходящих газовых потоках в общеизвестной литературе не представлены, хотя такого рода течения встречаются во многих смежных отраслях промышленности.

частицы, и какое их количество поступило вместе с газовым потоком в исследуемый сепаратор.

В рамках актуальности исследования предполагается выполнить численное

моделирование многофазного газового потока с дисперсными включениями. Целью исследования является изучение распределение массовой концентрации дисперсных включений в нисходящем газовом потоке в трубопроводах круглого сечения. Для составления численной модели процесса движения потока, обтекания потоком зонда существует множество инструментов - программные пакеты технологии многофазного моделирования.

В рамках решения цели рассматривается применение инструмента - численное моделирование в пакете Fluent с сопряжением пакета Rocki.

Комплексная работа вышеуказанных программ позволяет оценивать взаимовлияние движения потока на частицы и их обратной связи, выявлять застойные зоны в трубопроводах, рассчитать количество дисперсных включений оседающих в данных зонах, сепарацию частиц на стенках трубопровода, представить результаты

моделирования в виде наглядных графиков и гистограмм, отображающих кинетические и динамические характеристики.

Рис. 4 - Результаты аэродинамического численного расчета. Шкала слева соответствует скорости движения газа, м/с

Изучение распределения профиля концентраций дисперсных включений в газовом потоке позволит понять расположение координаты точки отбора в сечении трубопровода, которая наиболее близко характеризует среднее массовое содержание дисперсной фазы. В работе [2] опубликованы результаты минимизации погрешности измерения содержания капельной жидкости с использованием конструкции изокинетического зонда. Измерения количества капельной жидкости при помощи использования зонда может быть принят в качестве начальной информации для построения профиля массовой концентрации. Однако данный способ не позволяет охарактеризовать, какого размера

© Р. Р. Сираев - асп. каф. «Инженерная компьютерная графика и автоматизированное проектирование» КНИТУ, siraev.rom@gmail.com; М. Н. Ахлямов - к.т.н., Заместитель директора по развитию ООО «ПЛКГРУП», ma@plcgroup.ru; С. В. Юшко - д-р техн. наук, зав. каф. «Инженерная компьютерная графика и автоматизированное проектирование» КНИТУ, s.v.yushko@gmail.com.

© R. R. Siraev - Postgraduate, Department of Engineering and Computer Graphics, siraev.rom@gmail.com; M. N.Ahlyamov - k.t.s., LLC "PLKGRUP," Deputy Director of Development, ma@plcgroup.ru; S. V. Jusko - Dr. Sci. (Tech.), Head of the Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, Kazan National Research Technological University, s.v.yushko@gmail.com.

Литература

1. Ахлямов, М.Н.; Байгузин, Ф.А.; Шигапов, И.М.; Хайруллин, Г.М., Методика и устройство измерения уноса капельной жидкости на установках подготовки газа. УДК 665.62 // Газовая промышленность. - 2009. -№04. - С. 79-81

2. С. В. Юшко, М. Н. Ахлямов, Р. Р. Нигматов., Основные требования к формам наконечников измерителей содержания дисперсной фазы в газовом потоке. УДК 53.08 // Газовая промышленность. - 2013. -№2. - С. 29-32.

3. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение: Учебное пособие для студентов вузов: Пер. с англ. -Москва: Издательство "БИНОМ. Лаборатория знаний", 2006. - 752 с., ил. Библ. с.: 714-716.

4. Юшко С.В. «Газодинамический стенд для изучения воздушных потоков в трубах», Вестник Казан. технол. ун-та, 2013, т.16, №21. С.125.

5. Якимов И.М., Кирпичников А.П., Мокшин В.В. Моделирование сложных систем в имитационной среде; Вестник Казан. технол. ун-та, 2014. Т.17, №13, С. 352