СЕПАРАТОР ИЗМЕРИТЕЛЯ УНОСА КАПЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использована на нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождениях для оценки эффективности работы сепарационного оборудования.
При добыче природного газа, газового конденсата и нефти перед их дальнейшей отгрузкой трубопроводным транспортом существует необходимость первичной подготовки данного сырья на установках подготовки газа и нефти. Основная задача при этом заключается в отделении газа от конденсата или нефти (разделения газовой и жидкой фаз). Для этих целей широко применяют сепараторы различной конструкции. Для определения эффективности работы сепарационного оборудования на нефтегазодобывающих объектах применяются измерители уноса капельной жидкости.
Известно устройство для определения количества жидкости в пробе газа, включающее пробоотборную зонд-трубку, вводимую одним концом через сальниковое устройство в трубопровод с исследуемым потоком газа, соединительные рукава высокого давления, краны и регулирующий вентиль, расходомер газа, фильтр для отделения из пробы газа капель жидкости. Устройство фильтра позволяет производить периодические взвешивания фильтроэлемента, не вынимая его из корпуса. Взвешивание осуществляется при рабочем давлении с помощью тензодатчиков, размещаемых в корпусе фильтра [патент RU №2422804, МПК G01N 9/36, опубликовано 27.06.2011].
Известное устройство имеет сложную конструкцию.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство для измерения уноса жидкости, разработанное ЦКБН [Измеритель уноса жидкости ГПР-420.00.000. ДОАО ЦКБН. https://cyberleninka.ru/article/n/17665799.pdf]. Данное устройство измеряет объем капельной жидкости и механических примесей в потоке природного газа при рабочем давлении от 1,0 до 14,4 МПа и температуре от -30°С до +100°С в трубопроводах диаметром от 100 до 400 мм включительно. Измеритель конструктивно состоит из:
- зонда, который на время проведения измерения монтируется к трубопроводу и позволяет извлекать пробу газа с необходимой глубины исследуемого потока газа;
- сепаратора, в котором происходит отделение жидкости от газа;
- счетчика газа, с помощью которого задается необходимый расход исследуемого газа по измерителю;
- мерной емкости, в которой скапливается отделившаяся жидкость и ведется учет ее количества;
- соединительных шлангов;
- контрольно-измерительных приборов.
Разделение исследуемой газожидкостной смеси на газ и жидкость происходит в сепараторе измерителя за счет фильтрации потока этой смеси через фильтр, который представляет собой металлический цилиндр с множеством отверстий, снаружи покрытый текстильным проницаемым материалом (тканью). При прохождении через этот фильтр поток сырого газа осушается, выходит из сепаратора, понижает свое давление на регуляторе давления, замеряется на счетчике и утилизируется в атмосферу на свечу рассеивания газа. При этом жидкость, отделившаяся в фильтре, пропитывает ткань фильтра и со временем под действием сил гравитации стекает в нижнюю часть сепаратора, из которой попадает в мерную емкость для накопления и последующего замера ее количества. Время насыщения фильтра зависит от количества жидкой фазы в исследуемом потоке сырого газа.
Одним из недостатков существующего устройства являются значительные затраты времени ожидания полного насыщения фильтра перед проведением каждого измерения.
Другой недостаток устройства - проявление гидрофобных свойств текстильного материала фильтра при его насыщении (смачивании) углеводородной фазой (газовым конденсатом). Сырой природный газ, кроме газового конденсата, почти всегда в своем составе содержит воду (водную фазу). Поэтому при полном насыщении ткани углеводородами (газовым конденсатом) водная фаза не впитывается тканью фильтра, проникает через него и выводится из сепаратора с потоком газа. В результате наблюдается ухудшение сепарационной эффективности работы всего измерителя, появляется погрешность измерения. Данный факт подтверждает наличие воды в счетчике газа после проведения каждого измерения.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в уменьшении времени подготовки устройства перед каждым измерением и увеличении его точности.
Указанная задача решается тем, что сепаратор измерителя уноса капельной жидкости центробежного типа, содержащий корпус с крышкой, патрубки входа сырого газа, выхода осушенного газа, выхода отделившейся жидкости, снабжен расположенным в корпусе сепаратора цилиндрическим разделительным патрубком, в верхней части которого закреплено кольцо, диаметр которого равен внутреннему диаметру корпуса сепаратора, выше кольца в разделительном патрубке выполнены отверстия, патрубок входа сырого газа расположен ниже кольца, а патрубок выхода осушенного газа - выше кольца, при этом геометрические размеры сепаратора выбраны в следующих диапазонах:
соотношение внутреннего диаметра d разделительного патрубка к внутреннему диаметру D корпуса сепаратора: d/D = 0,52…0,58;
толщина стенки n разделительного патрубка к его внутреннему диаметру d: n/d = 0,05…0,1;
угол наклона а стенки нижней конической части корпуса сепаратора к вертикальной оси корпуса сепаратора: α = 23°…27°;
соотношение высоты h разделительного патрубка к высоте Н цилиндрической части корпуса сепаратора: h/H = 0,85…0,92. Указанные диапазоны величин являются оптимальными.
Уменьшение величины d/D ведет к увеличению скорости восходящего потока газа внутри разделительного патрубка, что приводит к подъему и выносу капель жидкости из сепаратора вместе с потоком газа, увеличение - к изменению структуры потока и нарушению целостности жидкостной пленки на внутренней поверхности корпуса в кольцевом пространстве сепаратора, а также возможному подхвату и выносу капель жидкости из сепаратора вместе с потоком газа.
Уменьшение величины n/d ведет к уменьшению прочностных характеристик разделительного патрубка, увеличение - к увеличению массы всего изделия.
Уменьшении угла а ведет к увеличению геометрических размеров корпуса сепаратора, увеличение - к возможному подхвату капель жидкости с наклонной поверхности сепаратора и дальнейшему их выносу вместе с потоком газа.
Уменьшение величины h/H ведет к увеличению геометрических размеров корпуса, увеличение - к изменению структуры потока в кольцевом пространстве сепаратора в районе нижнего торца разделительного патрубка, возможному подхвату и выносу капельной жидкости вместе потоком газа.
Технический результат заключается в создании простой конструкции сепаратора, обеспечивающей уменьшенное время измерения уноса капельной жидкости.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен сепаратор измерителя уноса в разрезе, на фиг.2 - принцип действия сепаратора, на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2, на фиг.4 - разрез по Б-Б на фиг.2, на фиг.5 - эскиз сепаратора с буквенным обозначением геометрических размеров, на фиг.6 - фото разделительного патрубка, на фиг.7 - фото сепаратора с запорными органами и приборами.
Предлагаемый сепаратор измерителя содержит корпус 1 цилиндрической формы с крышкой 2. В нижней части корпус сепаратора имеет коническую форму. Сбоку к корпусу 1 присоединены патрубок 3 для входа сырого газа, патрубок 4 для выхода осушенного газа, снизу - патрубок 5 для отвода отделившейся жидкости. Для предотвращения прямого выноса смеси из сепаратора, он оборудован внутренним разделительным патрубком 6, в верхней части которого закреплено кольцо 7. Диаметр кольца 7 равен внутреннему диаметру корпуса 1 сепаратора. Выше кольца 7 в разделительном патрубке 6 выполнены отверстия 8. Патрубок 3 входа сырого газа расположен ниже кольца 7, а патрубок 4 выхода осушенного газа - выше кольца 7. Таким образом кольцо 7 разделяет вход и выход газа.
При работе устройства поток сырого газа (газожидкостной смеси), попадая через патрубок 3 в сепаратор, направляется на внутреннюю поверхность его корпуса 1, формируя движение по спирали (фиг.3). Разделительный патрубок 6 задает траекторию и скорость движения потока газа, обеспечивает отбор газа с центральной части сепаратора, где содержание жидкой фазы минимально в силу ее большей плотности и зависимости от сил инерции. На поток смеси действуют центробежные силы и силы гравитации, которые способствуют разделению газовой и жидкой фаз. Жидкая фаза за счет более высокой плотности и вязкости образует на стенке корпуса 1 пленку жидкости, которая под действием гравитации через патрубок 5 постепенно стекает в мерную емкость (не показана) для дальнейшего накопления и замера ее объема. Газовая фаза выделяется из жидкостной пленки и за счет более низкой плотности и вязкости, а также перепада давления между входным 3 и выходным 4 патрубками сепаратора, поднимается и отводится из сепаратора через выходной патрубок 4 (фиг.4).
При этом конструкция сепаратора не содержит фильтрующих элементов, требующих полного насыщения (смачивания) жидкой фазой, что значительно уменьшает время подготовки измерителя перед проведением замеров.
Кроме того, предлагаемая конструкция одинаково эффективно отделяет как углеводородную, так и водную фазы от потока сырого газа, позволяя определять реальную величину уноса капельной жидкости после газопромысловых сепараторов, что дает более объективную оценку эффективности работы технологического оборудования при подготовке природного газа к транспорту.
В 2020 году специалистами ООО «Газпром добыча Уренгой» был спроектирован, изготовлен и испытан данный сепаратор в составе измерителя. При проектировании был проведен гидродинамический расчет внутренней полости сепаратора. Моделирование двухфазного потока проведено с использованием программного пакета CAE. Задача решена в нестационарной, сжимаемой постановке с использованием трехмерного RANS подхода (уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу). Для моделирования поверхности раздела сред применен метод VOF (Volume Of Fluid).
Далее были изготовлены основные корпусные детали с учетом ожидаемых рабочих условий, проведена их сборка и гидравлические испытания для подтверждения необходимых прочностных характеристик всего изделия. Позже измеритель, содержащий заявляемый сепаратор был доукомплектован запорно-регулирующей арматурой, контрольно-измерительными приборами, необходимыми соединительными фитингами, шлангами, теплоизоляцией и дополнительным навесным оборудованием.
В 2021 и 2022 годах на добывающих объектах ООО «Газпром добыча Уренгой» сепаратор измерителя, получившего название «Циклон», был успешно испытан в реальных производственных условиях, подтвердив свою работоспособность, эргономичность и точность измерений.