Способ низкотемпературной подготовки природного газа и установка для его осуществления
METHOD FOR LOW-TEMPERATURE TREATMENT OF NATURAL GAS AND UNIT FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к технологическим процессам подготовки природного газа к дальнейшему транспорту по магистральному газопроводу и может быть использована на действующих и перспективных объектах добычи газа.
Основной технологией подготовки природного газа и извлечения жидких углеводородов на установках комплексной подготовки газа (УКПГ) является низкотемпературная сепарация (НТС). При реализации указанной технологии требуемая кондиция товарного газа по показателям точек росы по воде и углеводородам достигается путем ступенчатого охлаждения входного газа и отделения сепарацией сконденсировавшейся жидкой фазы от газовой.
Для охлаждения газа в составе УКПГ используют дроссельные и эжекторные устройства, турбодетандерные агрегаты (ТДА), парокомпрессионные холодильные машины, а также устройства газодинамической сепарации (ГДС).
3+
Важным технологическим преимуществом устройств ГДС относительно дроссельных или эжекторных устройств является более глубокое извлечение углеводородов С из природного газа и удельный выход товарного конденсата. К конструктивным преимуществам этого устройства следует отнести малую металлоемкость, отсутствие вращающихся частей, простоту изготовления, монтажа и обслуживания, более низкую подачу антигидратного реагента (метанола) перед охлаждающим устройством, что приводит к снижению его расхода на УКПГ.
Известен способ низкотемпературной сепарации промыслового газа (патент РФ № 2156271, C10G 5/06, опубл. 20.09.2000), который включает первоначальное отделение капельной жидкости в высокотемпературном сепараторе, охлаждение затем части газа в теплообменнике, затем в дозвуковом канале энергоразделительного устройства в виде кожухотрубного теплообменника с раздельными входами для газа в сверхзвуковые и дозвуковой каналы, а потом в дросселе, при этом другую часть газа из высокотемпературного сепаратора пропускают через сверхзвуковые каналы предложенного энергоразделительного устройства, где его разгоняют до числа Маха=1,5-3,0, затем охлаждают в другом теплообменнике, связанном со среднетемпературным сепаратором, и смешивают с газом, охлажденным в дросселе и отобранным из низкотемпературного сепаратора, а затем эту смесь разделяют на жидкую и газообразную фракции в среднетемпературном сепараторе. Охлаждение газа в одном и другом теплообменниках осуществляют газом, отведенным из среднетемпературного сепаратора, а отношение полного начального давления в сверхзвуковых каналах и полного давления на выходе из сверхзвуковых каналов находится в интервале 1,3-1,9.
Недостатком данного способа является недостаточно эффективное охлаждение газа, обусловленное использованием для его охлаждения энергоразделительного устройства и дросселя. Охлаждению в наиболее эффективном охлаждающем устройстве - энергоразделительном устройстве подвергают только часть отсепарированного в высокотемпературном сепараторе газа, а остальную часть отсепарированного газа охлаждают в менее эффективном охлаждающем устройстве - дросселе. Кроме того, в энергоразделительном устройстве отсутствует отвод сконденсировавшейся жидкой фазы, которая образуется в сверхзвуковом канале, что также снижает эффективность дальнейшего охлаждения газа. В предлагаемом способе охлаждают весь поток газа из высокотемпературного сепаратора в сверхзвуковых каналах устройства газодинамической сепарации и отводят сконденсировавшуюся жидкую фазу, что позволяет обеспечить более низкую температуру в низкотемпературном сепараторе и увеличить выход конденсата.
Известен способ низкотемпературной сепарации газа (варианты) (патент РФ № 2272973, F25J 3/02, опубл. 27.03.2006), включающий охлаждение смеси углеводородных газов, расширение смеси или ее части, частичную конденсацию смеси при ее расширении, разделение смеси или ее части в ректификационной колонне с получением продуктов в жидкой и газовой фазе. Процесс расширения смеси проводят, пропуская смесь через сопловый канал. В сопловом канале и/или на входе в сопловый канал поток смеси закручивают. На выходе из соплового канала или его части поток смеси разделяют, по крайней мере, на два потока, один из которых обогащен компонентами тяжелее метана, а другой обеднен этими компонентами. Обогащенный поток частью или полностью направляют в ректификационную колонну. Газофазные продукты, полученные в ректификационной колонне, частью или полностью направляют в смесь до ее расширения. В другом варианте способа газофазные продукты частично или полностью смешивают с обедненным потоком. В третьем варианте обогащенный поток частично или полностью направляют в смесь до ее расширения. В четвертом варианте обогащенный поток и газофазные продукты частично или полностью направляют в смесь до ее расширения.
Недостатком данного способа является использование для подготовки потока, обогащенного компонентами тяжелее метана, ректификационной колонны в отличие от предлагаемой группы изобретений, которая позволяет применять технологически более простое и надежное оборудование для отделения жидкой фазы - сепаратор. Кроме того, образующиеся на выходе ректификационной колонны газы дегазации после компримирования направляют на вход в первичный сепаратор, что приводит к накоплению (циркуляции) дополнительных объемов газа и, следовательно, к увеличению загрузки технологических линий. При реализации предлагаемого способа полученные газы дегазации направляют в товарный газ, что позволяет исключить их циркуляцию.
Наиболее близкими к предлагаемому способу низкотемпературной подготовки природного газа и установке для его осуществления (прототипом) являются способ и устройство сверхзвуковой газодинамической сепарации, реализованные на одном из объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» (Корытников Р.В., Яхонтов Д.А., Багиров Л.А., Имаев С.З. Использование энергосберегающей технологиии сверхзвуковой сепарации газа на газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера // Газовая промышленность. 2012. № 6. С. 34-40). Для реализации способа используют устройство ГДС, принцип действия которого заключается в следующем: входной газ, поступая в ГДС, адиабатически расширяется в конфузоре сопла Лаваля (термодинамический аналог детандера), закручивается и разгоняется до сверхзвуковой скорости. При этом происходит охлаждение газа до температур минус 50-100°С с одновременной конденсацией жидкости в пристеночном пространстве устройства. Сконденсировавшуюся жидкость, состоящую из углеводородов тяжелее метана (целевые углеводороды), воды и растворенного газа, выводят из устройства в виде двухфазного потока. Повышение давления газового и двухфазного потоков осуществляют в раздельных диффузорах (термодинамических аналогах компрессора).
Недостатком известного способа является резкое снижение содержания целевых углеводородов в жидкой фазе после сепарации двухфазного газожидкостного потока, поскольку упомянутый двухфазный поток при низкотемпературной сепарации имеет более высокую температуру, чем температура в зоне его отвода из устройства ГДС.
При реализации предлагаемой группы изобретений двухфазный поток, полученный на выходе из устройства ГДС, направляют на дополнительную НТС: последовательно охлаждают в рекуперативном теплообменнике и дросселе с отделением в результате последующей сепарации сконденсировавшейся углеводородной жидкости и воды, что обеспечивает увеличение содержания целевых углеводородов в нестабильном конденсате низкотемпературной сепарации.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является создание способа и установки низкотемпературной подготовки природного газа, обеспечивающих максимальный выход углеводородов тяжелее этана в составе товарного конденсата.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая группа изобретений, является повышение эффективности извлечения углеводородов тяжелее этана за счет дополнительной подготовки двухфазного газожидкостного потока, полученного после газодинамической сепарации.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе низкотемпературной подготовки природного газа, включающем первичную сепарацию сырого газа с последующим охлаждением газа первичной сепарации путем газодинамической сепарации с одновременным разделением упомянутого газа на основной поток товарного газа и двухфазный газожидкостный поток, на газодинамическую сепарацию направляют предварительно охлажденный газ первичной сепарации. Затем полученный после газодинамической сепарации двухфазный газожидкостный поток последовательно охлаждают, дросселируют и направляют на низкотемпературную сепарацию. Отсепарированный газ низкотемпературной сепарации направляют обратным потоком на охлаждение двухфазного газожидкостного потока, после чего газ низкотемпературной сепарации последовательно компримируют, охлаждают и полученный поток подготовленного товарного газа объединяют с основным потоком товарного газа и отводят с установки, а углеводородную жидкость низкотемпературной сепарации после нагревания отводят с установки в качестве нестабильного конденсата низкотемпературной сепарации. При этом полученную после первичной сепарации углеводородную жидкость подают в разделитель, после чего образовавшиеся после разделения водно-метанольный раствор и нестабильный конденсат первичной сепарации отводят с установки, а полученный газ дегазации направляют в двухфазный газожидкостной поток до его охлаждения.
Установка для низкотемпературной подготовки природного газа, включающая первый сепаратор, устройство газодинамической сепарации, низкотемпературный второй сепаратор и соединительные трубопроводы, дополнительно содержит аппарат воздушного охлаждения, дроссель, первый и второй рекуперативные теплообменники, компрессорную установку и разделитель. Вход первого сепаратора предназначен для подачи сырого газа, выход упомянутого сепаратора по потоку отсепарированного газа соединен через аппарат воздушного охлаждения с входом устройства газодинамической сепарации, первый выход которого предназначен для вывода основного потока товарного газа с установки, а второй выход отсепарированным двухфазным потоком подключен через последовательно соединенные первый теплообменник и дроссель к входу второго сепаратора, выход которого по отсепарированному газу подключен через последовательно соединенные первый теплообменник и компрессорную установку к первому входу второго теплообменника, а выход по отсепарированной углеводородной жидкости - к второму входу второго теплообменника, первый выход которого дополнительным потоком подготовленного товарного газа сообщен с основным потоком товарного газа, а второй выход предназначен для вывода нестабильного конденсата низкотемпературной сепарации с установки. Выход первого сепаратора по потоку отсепарированной углеводородной жидкости соединен с входом разделителя, первый выход которого предназначен для вывода водно-метанольного раствора с установки, второй выход - для вывода нестабильного конденсата первичной сепарации, а третий выход подключен объединенным потоком газа дегазации и двухфазного потока газодинамической сепарации к первому теплообменнику.
На чертеже представлена схема установки для осуществления предлагаемого способа низкотемпературной подготовки природного газа.
Установка для осуществления низкотемпературной подготовки природного газа содержит первый сепаратор 1, аппарат воздушного охлаждения (АВО) 2, устройство ГДС 3, обеспечивающее охлаждение газа за счет ускорения закрученного потока газа до сверхзвуковых скоростей с одновременным разделением компонентов газа (можно использовать, например, устройство, выпускаемое компанией Twister BV), низкотемпературный второй сепаратор 4, дроссель 5, первый рекуперативный («газ-газ») теплообменник 6, компрессорную установку 7, оснащенную АВО; разделитель 8, второй рекуперативный («газ-жидкость») теплообменник 9; соединительные трубопроводы (на чертеже не показаны). Вход первого сепаратора 1 предназначен для подачи сырого газа с УКПГ (на чертеже не показана). Выход по газу первого сепаратора 1 через АВО 2 подключен к входу устройства ГДС 3, первый выход которого предназначен для вывода с предлагаемой установки основного потока товарного газа (углеводородов легче этана), а второй выход подключен к первому входу первого теплообменника 6, первый выход которого соединен через компрессорную установку 7 с первым входом второго теплообменника 9. Второй выход первого теплообменника 6 соединен через дроссель 5 с входом второго сепаратора 4, выход по газу которого подключен к второму входу первого теплообменника 6, а выход по жидкости - к второму входу второго теплообменника 9. Первый выход второго теплообменника 9 предназначен для вывода потока подготовленного товарного газа, объединенного с основным потоком товарного газа, а второй выход - для вывода с предлагаемой установки нестабильного конденсата НТС. Выход по жидкости первого сепаратора 1 подключен к входу разделителя 8, первый выход которого предназначен для вывода с предлагаемой установки водно-метанольного раствора, второй выход - для вывода нестабильного конденсата первичной сепарации, а третий выход подключен объединенным потоком газа дегазации и двухфазного газожидкостного потока газодинамической сепарации к первому входу первого теплообменника 6.
Способ низкотемпературной подготовки природного газа реализуют с помощью описанной выше установки следующим образом:
- осуществляют первичную сепарацию сырого газа, поступающего с УКПГ, в сепараторе 1, при этом для предотвращения гидратообразования в сырой газ при необходимости подают метанол;
2+
- газ первичной сепарации, вышедший из сепаратора 1, охлаждают в АВО 2 до температуры 10÷25°С и направляют в устройство ГДС 3, где осуществляют изоэнтальпийное расширение газа и его охлаждение при ускорении закрученного потока газа до сверхзвуковых скоростей, конденсацию компонентов в охлажденном потоке газа, отделение конденсата от газовой фазы с получением на выходе двух потоков: основного потока газа, удовлетворяющего требованиям к подготовленному (товарному) газу, который направляют в магистральный газопровод, и двухфазного потока, преимущественно состоящего из углеводородов С. При этом в газ первичной сепарации при необходимости подают метанол;
- двухфазный газожидкостный поток дополнительно охлаждают до температуры минус 35÷45°С последовательно в первом теплообменнике 6 (обратным потоком газа низкотемпературной сепарации из второго сепаратора 4) и в дросселе 5, после чего охлажденный упомянутый поток направляют на низкотемпературную сепарацию во второй сепаратор 4;
- из второго сепаратора 4 отсепарированную углеводородную жидкость низкотемпературной сепарации направляют во второй теплообменник 9;
- отобранный из второго сепаратора 4 газ низкотемпературной сепарации последовательно нагревают до температуры минус 25÷35°С в первом теплообменнике 6, компримируют в компрессорной установке 7 до давления товарного газа, охлаждают до температуры минус 15÷20°С во втором теплообменнике 9 потоком углеводородной жидкости низкотемпературной сепарации и полученный поток подготовленного товарного газа объединяют с основным потоком товарного газа и отводят с установки;
- отобранную из второго сепаратора 4 углеводородную жидкость низкотемпературной сепарации после нагревания до температуры минус 15÷25°С во втором теплообменнике 9 выводят с установки в качестве нестабильного конденсата низкотемпературной сепарации;
- отделившуюся в сепараторе 1 углеводородную жидкость первичной сепарации подают в разделитель 8, откуда полученный водно-метанольный раствор выводят с установки и отправляют на регенерацию или утилизацию, нестабильный конденсат первичной сепарации выводят с установки, а полученный газ дегазации объединяют с двухфазным газожидкостным потоком, полученным на выходе из устройства ГДС, и направляют в первый теплообменник 6.
5+
3
Сравнительные показатели подготовки газа с содержанием углеводородов С в количестве 143 г/м, достигаемые при реализации в аналогичных условиях известного и предлагаемого способов, приведены в таблице.
2+
3
Таким образом, реализация предлагаемой группы изобретений позволяет сохранить сконденсировавшиеся компоненты С в жидкой фазе и тем самым увеличить выход упомянутых компонентов, дополнительное извлечение которого составляет 6,7 г/м.