Реконструкция установок регенерации гликоля Ямбургского НГКМ

УДК 622.279

А.В. Елистратов, Ю.А. Лаухин, В.В. Миронов, Л.Г. Чикалова, Т.А. Проценко

Реконструкция установок регенерации гликоля Ямбургского НГКМ

Подготовка сеноманского газа Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) к магистральному транспорту осуществляется абсорбцией влаги высококонцентрированным раствором диэтиленгликоля (ДЭГ). Для регенерации ДЭГ используется несколько типов установок вакуумной регенерации. На УКПГ-2 (установке комплексной подготовки газа), введенной в эксплуатацию в 1986 г., регенерация абсорбента принята с паровым нагревом. На УКПГ-1, -3-7 восстановление концентрации ДЭГ производится в регенераторах колонного типа со встроенным теплообменником. Тепло в систему вносится в трубчатых печах с U-образными вертикальными трубами.

Проблемы эксплуатации установок регенерации Ямбургского НГКМ ранее рассматривались в публикациях специалистов ООО «Газпром добыча Ямбург» и ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ»[1-4].

При эксплуатации установок регенерации гликолей всех типов (в том числе с паровым нагревом) выявилась проблема коррозионно-эрозионного износа теплопередающих поверхностей и внутренних устройств испарителей, колонн регенерации, теплообменников, трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, изготовленных из углеродистых конструкционных сталей.

Конструкция печей с вертикальными трубами в качестве испарителей оказалась не совсем надежной и технологичной:

• испарение воды и гликоля в трубах печи вызывает усиленную эрозию конечных участков змеевика и трубопровода-коллектора от печи до колонны. Замена части труб и соединительных калачей необходима через 1-1,5 года, коллектора - каждые 3-4 года;

• вертикальный змеевик не позволяет полностью удалить продукт не только для ревизии, но и в случае аварии, что сказывается на надежности и безопасности установки;

• вследствие низких скоростей на внутренней поверхности труб (на начальных участках) образуется слой твердого осадка продуктов деструкции гликоля и солей.

При эксплуатации колонн регенерации выявились следующие проблемы:

• коррозия внутренних элементов колонны;

• коррозионно-эрозионный износ встроенных в колонны теплообменников (на УКПГ-1, -3-7), ремонт которых затруднен.

Для снижения деструкции гликоля и уменьшения коррозионно-эрозионного износа оборудования регенерации абсорбента ООО «Газпром добыча Ямбург» были реализованы следующие технические решения:

• в 2002-2005 гг. на УКПГ-1-5, -7 внедрен разработанный ООО НПП «ОКСИТ» осушитель природного газа марки «К» по ТУ 2422-003-45913229-2005, который представляет раствор ДЭГ с комплексом антикоррозионных, антивспенивающих и антиокислительных присадок и применяется в качестве добавки к основному осушителю в объемном соотношении 1/9. Использование осушителя уменьшило разложение ДЭГ и снизило коррозию конструкционных материалов в разных точках технологической схемы от 3 до 100 раз (на УКПГ-1 - в среднем с 0,624 до 0,011 мм/год, на УКПГ-2 -с 0,103 до 0,001 мм/год);

• в 2002-2003 гг. на УКПГ-4, -5, -7 внедрен процесс рециркуляции раствора гликоля через печь с жидкофазным нагревом под давлением выше упругости паров на выходе из печи и с последующим адиабатическим расширением и выпаривани-

Ключевые слова:

абсорбционная осушка природного газа,

установки

регенерации

гликоля,

деструкция гликоля, эффективность оборудования, реконструкция.

Keywords:

natural gas glycol dehydration, glycol regeneration unit,

glycol degradation, equipment efficiency, retrofit.

№ 4 (15) / 2013

94

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

ем воды в колонне при снижении давления, что позволило избежать эрозии змеевика печи, соединительных трубопроводов, а также исключить перегрев осушителя и уменьшить его разложение;

• в 2007-2008 гг. выполнена замена П-образных змеевиков печей УКПГ-3-6 на витые змеевики заводского изготовления;

• на УКПГ-4, -7 установлены выносные кожухотрубчатые теплообменные аппараты разработки ДОАО «ЦКБН ОАО «Газпром»;

• для предотвращения коррозионно-эрозионного износа АВО (конденсаторов) внутренняя поверхность теплообменных трубок обрабатывается антикоррозионной мастикой «МЕТАКОР-Викор».

В 2011 г. для уточнения научно-инженерных решений и объемов реконструкции технологии и оборудования регенерации гли-

колей сотрудниками ООО «Газпром добыча Ямбург», ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ» были проведены исследования технологии и оборудования огневой регенерации ДЭГ на УКПГ-1, -4, -6, -7, -9 Ямбургского НГКМ.

Рассмотрим результаты проведенных исследований.

Деструкция гликоля

На всех УКПГ рН регенерированного гликоля (РДЭГ) больше 7 (рис. 1), что обусловлено добавками в гликоль присадки марки «К» или буры. На УКПГ, где применяются установки регенерации с жидкофазным нагревом абсорбента в печи (УКПГ-4, -5, -7, -9), рН рефлюкса в основном более 7. На УКПГ с установками регенерации с испарением в печи (УКПГ-1, -6) рН рефлюкса менее 5,5 (рис. 2). Аналогичный

10,0

9.5

9.0

О

s 8,5

g

Д

о.

8.0

7.5 7,0

13.06.2011 14.06.2011 15.06.2011 16.06.2011 17.06.2011 18.06.2011 19.06.2011 20.06.2011 21.06.2011 22.06.2011 23.06.2011 24.06.2011

Дата отбора пробы

Рис. 1. рН регенерированного гликоля на УКПГ Ямбургского НГКМ

УКПГ-1 ♦ УКПГ-4  УКПГ-6 ♦ УКПГ-7 ♦ УКПГ-9

* ♦

А ♦ ♦ * ♦

♦ ♦ <

2

ц

К

о.

8.5 8,0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

13.06.2011 14.06.2011 15.06.2011 16.06.2011 17.06.2011 18.06.2011 19.06.2011 20.06.2011 21.06.2011 22.06.2011 23.06.2011 24.06.2011

Дата отбора пробы

УКПГ-1 ♦ УКПГ-4 А УКПГ-6 ♦ УКПГ-7 ♦ УКПГ-9

♦ ♦ ♦ ♦ * ♦

• 4 t 4 ♦

' " .

А А

Рис. 2. рН рефлюкса на установках регенерации гликоля УКПГ Ямбургского НГКМ

№ 4 (15) / 2013

Проблемы эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

95

эффект с рН гликоля более 7 за счет ингибирования и рН рефлюкса менее 7 имел место на установках регенерации с испарением в печах на Комсомольском месторождении [5]. Таким образом, на установках регенерации с испарением в печи происходит более интенсивная деструкция гликоля в сравнении с установками с жидкофазным нагревом. Часть продуктов деструкции при этом отгоняется вместе с водой. Добавки в гликоль ингибитора только нейтрализовали НК продукты деструкции, не отогнанные в процессе регенерации.

Более интенсивная деструкция гликоля на установках с испарением в печи обусловлена тем, что абсорбент подвергается более длительному воздействию более высоких температур в сравнении с установками с жидкофазным нагревом абсорбента [6]:

• при испарении в печи происходит общий перегрев гликоля выше значения температуры на выходе печи, по которой контролируется процесс регенерации;

• при жидкофазном нагреве ДЭГ в печи изменение температуры и давления по длине змеевика носит равномерный линейный характер. Поэтому максимальные значения температуры раствора достигаются на конечном участке, а за счет повышения коэффициента теплоотдачи (при повышенной скорости однофазного раствора гликоля в трубчатке) температура стенки со стороны продукта минимальна в сравнении с другими типами установок регенерации.

Деструкция гликоля на установках регенерации с испарением воды в печи приводит к следующим последствиям:

• отгоняемые при регенерации продукты деструкции оказывают коррозионное воздействие на внутренние устройства колонн регенерации, воздушные холодильники, трубопроводы и запорно-регулирующую арматуру;

• более интенсивный расход присадки марки «К» (буры) в сравнении с установками регенерации с жидкофазным нагревом, что подтверждается более низкими значениями рН гликоля.

Колонна регенерации

По проекту насыщенный гликоль (НДЭГ) нагревается во встроенном рекуперативном теплообменнике, частично регенерируется в колонне регенерации и с полуглухой тарелки направляется в печь, откуда после нагрева попадает в куб колонны, где происходит разделе-

ние парожидкостной смеси на РДЭГ и паровую фазу, поступающую через полуглухую тарелку в колонну.

При обследовании колонн регенерации выявлены следующие проблемы:

• на большинстве УКПГ колонны работают с перегрузкой по пару, так как количество орошения превышает количество воды, отгоняемой из гликоля, притом что колонны рассчитаны на рефлюксное число менее 0,3;

• на УКПГ-4 концентрация воды в НДЭГ на входе в печь меньше концентрации воды в НДЭГ на входе в колонну. На УКПГ-1, -7 концентрация воды в НДЭГ, направляемом в печь (на выходе из колонны), больше концентрации воды в НДЭГ на входе в колонну на 0,5-1,0 % мас. Таким образом, на УКПГ-1, -7 в колонне вместо частичной регенерации происходит обводнение гликоля и, как следствие, для установок регенерации с жидкофазным нагревом гликоля - увеличение перепада температур между выходом печи и кубом колонны и уменьшение концентрации РДЭГ;

• при приблизительно равных значениях температуры в кубе колонны регенерации концентрации воды в РДЭГ на установках регенерации с жидкофазным нагревом гликоля в печи (УКПГ-4, -7) более чем на 0,1 % мас. превосходят концентрации на установках с испарением в печи.

Основными причинами перегрузки по пару и обводнения гликоля в колонне регенерации являются:

• низкая эффективность массообменной части колонн регенерации;

• низкая эффективность теплообмена в теплообменниках установок регенерации УКПГ -1, -6, -7, температура питания колонны на которых на 10-40 °С меньше температуры питания колонны УКПГ-4.

На рис. 3-5 для одного из режимов работы установки регенерации УКПГ-7 показаны фактически замеренные рефлюксное число, разница концентраций воды в гликоле, направляемом в печь, и НДЭГ, разница температур на выходе печи и кубе колонны и расчетное изменение этих параметров в зависимости от числа теоретических тарелок (т.т.) в массообменной части колонны. Для оценки влияния рекуперации тепла на работу колонны показано изменение указанных параметров при увеличении температуры питания колонны на 10 °С. Расчеты выполнены с применением термодинамического

№ 4 (15) / 2013

96

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Эффективность массообменной части колонны, количество т.т.

Рис. 3. Изменение разницы концентраций воды в гликоле, направляемом в печь, и насыщенном гликоле в зависимости от эффективности массообменной части колонны и рекуперации тепла

Эффективность массообменной части колонны, количество т.т.

Рис. 4. Изменение разницы температур на выходе печи и в кубе колонны в зависимости от эффективности массообменной части колонны и рекуперации тепла

0}

о

Рч

6 5 4 3 2 1 0

0 1 2 3 4 5 6 7

ф расчет при фактических параметрах

расчет при увеличении температуры питания на 10 °С

А измеренное значение

V , f

Эффективность массообменной части колонны, количество т.т.

Рис. 5. Изменение рефлюксного числа в зависимости от эффективности массообменной части колонны и рекуперации тепла

№ 4 (15) / 2013

Проблемы эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений

97

метода для расчета фазового равновесия в системе «природный газ - вода - метанол - гли-коли» [6].

Как следует из приведенных данных:

• разница концентраций воды в НДЭГ и гликоле, направляемом в печь, разница температур на выходе печи и в кубе колонны, рефлюксное число зависят от массообменной эффективности колонны регенерации и температуры питания колонны регенерации;

• эффективность массообменной части колонн на установках регенерации - менее 2 т.т. (менее 1 т.т. в укрепляющей и отгонной секциях);

• при увеличении температуры питания колонны на 10 °С разница концентраций воды в НДЭГ и гликоле, направляемом в печь, уменьшается на 0,4 % мас., а перепад температур между выходом печи и кубом колонны - на

1,2 °С.

Таким образом, по причине низкой эффективности колонны регенерации и рекуперативного теплообменника температура в кубе колонны регенерации снижается на 3-4 °С, и, соответственно, концентрация воды в РДЭГ увеличивается на 0,1 % мас.

Кроме того, в установках с жидкофазным нагревом концентрация воды в РДЭГ увеличивается на 0,1 % мас. по причине недостаточной эффективности разделения жидкой и паровой фаз в кубе колонны регенерации.

На основании результатов исследований и с учетом опыта эксплуатации в рабочей документации приняты следующие технические решения по реконструкции установок регенерации гликоля:

• перевод на жидкофазный нагрев установок регенерации на УКПГ-1, -3, -6, что позволит избежать эрозии змеевика печи и уменьшить деструкцию гликоля. При этом концентрация воды в гликоле увеличится на 0,3-0,4 % мас. в сравнении с установками с испарением в печи, но получаемые концентрации позволят обеспечить нормативное качество подготовки газа. Для минимизации осаждения солей на поверхности теплообмена скорость принудительного движения нагреваемой жидкости по литературным данным [7] должна составлять 1,5-2,5 м/с. При указанных значениях скорости обеспечиваются также минимальная температура теплопередающей

поверхности и, соответственно, минимальная деструкция гликоля в сравнении с другими типами установок регенерации гликоля;

• изготовление АВО (конденсаторов), арматуры и насосов из коррозионно-стойких конструкционных сталей для предотвращения коррозионно-эрозионного износа;

• отглушение встроенных теплообменников и установка выносных стандартных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов на УКПГ-1, -2, -3, -5, -6, как это уже реализовано на УКПГ-4, -7, что позволит:

- улучшить теплообмен, увеличить температуру питания колонны регенерации и уменьшить концентрацию воды в РДЭГ;

- снизить степень осаждения солей и мехпримесей и, следовательно, увеличить межревизионный и межремонтный периоды;

- обеспечить возможность чистки и проведения ремонтных работ теплообменников;

• монтаж в кубовой части колонн узлов ввода потока из печи для улучшения разделения парожидкостной смеси, что позволит уменьшить концентрацию воды в РДЭГ.

Список литературы

1. Киченко Б.В. Проблемы коррозии и результаты коррозионного контроля в линии регенерации диэтиленгликоля на установке осушки газа УКПГ-2 Ямбургского ГКМ / Б. В. Киченко,

П.Н. Пинчук, В.В. Демушкин и др. // НТИС. Защита от коррозии и охрана окружающей среды. - М.: ВНИИОЭНГ, 1992. - № 3. - С. 1-5.

2. Елистратов В.И. Основные технические решения для проекта реконструкции

и модернизации объектов Ямбургского ГКМ / В.И. Елистратов // Проблемы повышения качества осушки газа: матер.

НТС ОАО «Газпром». - М.: ИРЦ Газпром,

2000. - С. 59-78.

3. Салихов З.С. Работа установки регенерации ДЭГа в условиях падающего давления на УКПГ ЯГКМ / З.С. Салихов,

Р.Х. Сулейманов, С. Д. Шиняев и др. // Технические решения по подготовке газа

к транспорту на газовых и газоконденсатных месторождениях с падающей добычей: матер. НТС ОАО «Газпром». - М.: ИРЦ Газпром,

2001. - Т II. - С. 16-22.

№ 4 (15) / 2013

98

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

4. Салихов З.С. Основные проблемы промысловой подготовки газа и пути их решения в ООО «Ямбурггаздобыча» /

З.С. Салихов, С.Д. Шиняев, А.А. Ершов и др. // Актуальные вопросы и научно-технические решения по технике и технологии добычи, извлечения и подготовке углеводородного на газоконденсатных месторождениях: матер. НТС ОАО «Газпром». - М.:

ИРЦ Газпром, 2006. - С. 94-108.

5. Дуденков Е. В. Опыт промышленного применения триэтаноламина в системе регенерации триэтиленгликоля и использования установки дозирования химреагентов

для снижения коррозии оборудования /

Е.В. Дуденков // Проблемы и пути решения в добыче и подготовке углеводородного сырья к транспорту на месторождениях вступивших в стадию падающей добычи: матер.

НТС ОАО «Газпром». - М.: ИРЦ Газпром,

2007. - С. 159-167.

6. Истомин В. А. Применение гликолей для абсорбционной осушки природных газов. Физико-химические аспекты / В.А. Истомин, М.В. Елистратов, А.В. Елистратов. - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - 168 с. - (Серия «Подготовка и переработка газа и газового конденсата»).

7. Теплотехническое оборудование

и теплоснабжение промышленных предприятий / под общ. ред. Б.Н. Голубкова. -

2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1979. - 544 с.

№ 4 (15) / 2013