Методический подход к расчетному исследованию промысловой подготовки природного газа к транспорту по технологии низкотемпературной сепарации с применением турбодетандерных агрегатов

УДК 621.6.029+004.94

М.А. Воронцов, Д.М. Федулов, А.С. Грачев, А.В. Прокопов, В.Ю. Глазунов

Методический подход к расчетному исследованию промысловой подготовки природного газа к транспорту по технологии низкотемпературной сепарации с применением турбодетандерных агрегатов

Технология низкотемпературной сепарации (НТС) с применением турбодетандерных агрегатов (ТДА) получает широкое распространение на российских газоконденсат-ных промыслах Крайнего Севера. Данный способ подготовки позволяет не только обеспечить требования к транспортируемому газу по водной и углеводородной точкам росы, но и осуществлять охлаждение газа перед его подачей в магистральный газопровод (МГ). Тем самым исключается самостоятельный объект - станция охлаждения газа. Охлаждение газа с помощью ТДА позволяет энергетически максимально эффективно использовать имеющийся перепад давления [1-3].

Первая промысловая турбохолодильная установка пущена в 1971 г. на Шебели-хинском месторождении [4]. Также хорошо известен опыт сезонного применения ТДА на установке комплексной подготовки газа УКПГ-1В Ямбургского месторождения [5]. Впервые в «Газпроме» технология НТС с ТДА в круглогодичной эксплуатации реализована на Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ) в 2012 г. [6], в настоящее время аналогичная технология внедряется на промыслах Заполярного НГКМ, а в перспективе ее планируют использовать на месторождениях Восточной Сибири (Чаяндинском) и п-ова Ямал (Харасавейском, Крузенштернском, Тасийском и др.), а также на шельфовых месторождениях [7].

Технология НТС с ТДА является многопараметрической интерактивной системой, элементы которой - турбохолодильное, теплообменное, сепарационное и компрессорное оборудование, аппараты воздушного охлаждения (АВО) и др. - работают в широком диапазоне изменяющихся условий эксплуатации: температуры окружающего воздуха, состава и термобарических параметров подготавливаемого газа и т.п. Сегодня происходит освоение технологии: накопление, осмысление и обобщение опыта ее эксплуатации - важная и актуальная задача.

К настоящему моменту выполнен большой объем теоретических исследований, посвященных вопросам применения и оптимизации процессов НТС с ТДА для подготовки газа на месторождениях [1, 3, 5-11]. После пуска УКПГ Бованенковского НГКМ - пионерного объекта добычи газа п-ова Ямал - получены фактические экспериментальные данные, оценка эффективности работы технологии НТС с ТДА, прогноз перспективных режимов, разрабатывались также предложения по оптимизации технологического процесса и т.п. [6].

При решении исследовательских задач широко применяется математическое моделирование режимов работы технологической системы. Современные программные комплексы позволяют моделировать многопараметрические процессы с достаточной для инженерной практики точностью. Однако при этом остро стоит вопрос о способах наглядного представления результатов расчетных исследований для удобства их интерпретации и анализа.

Определение удобного способа представления и обобщения результатов исследования многопараметрических процессов всегда является актуальной и нетривиальной задачей, его выбор во многом обусловлен индивидуальными особенностями рассматриваемого процесса (системы), целей и задач исследования. В случае технологии НТС с ТДА сложность анализа и интерпретации результатов исследования

Ключевые слова:

низкотемпературная сепарация, турбодетандерный агрегат,

математическое моделирование.

Keywords:

low-temperature separation (LTS), turboexpander (TE) unit,

math modelling.

дополнительно обусловлена интерактивностью системы - взаимным влиянием друг на друга параметров процессов теплообмена, сепарации, расширения и сжатия.

Обширный опыт, полученный на этапе проектирования и решения проблем эксплуатации УКПГ на Бованенковском НГКМ, позволил разработать удобный способ представления показателей режимов работы установки НТС с ТДА. Так, составлен перечень основных параметров (факторов) технологического процесса и подобран набор графических обобщающих номограмм, по которым можно определить влияние основных режимных параметров на обеспечение целевых показателей УКПГ. В целом разработан методический подход, позволяющий с использованием номограмм решать технико-технологические задачи как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации технологии НТС с ТДА. В статье представлены описание предлагаемого методического подхода к исследованию технологии НТС с ТДА и примеры его практического применения.

Структурная схема типовой УКПГ (рис. 1) включает систему первичной сепарации (здание входных ниток и сепараторов), собственно установку НТС с ТДА и дожимную компрессорную станцию ДКС-1. По мере снижения давления на входе в УКПГ вводится ДКС-2.

Применительно к месторождениям Крайнего Севера основные технологические требования предъявляются к температуре газа, поступающего в МГ (ТвхМГ), и температурам точки росы (ТТР) газа. Для известного компонентного состава требования к ТТР сводятся к эквивалентному требованию к температуре (ТНТС) и давлению в низкотемпературном сепараторе. Режим работы ТДА характеризуется значением температуры за АВО газа (ТАВО), отношением давлений в турбине ТДА (лтур6), давлением во входном сепараторе (Р10С-1) и выходным давле-

нием технологических линии - центробежного компрессора (ЦБК) (Рвых.ЦБК). Поэтому в первую очередь специалистов интересует взаимосвязь шести технологических параметров: ГвхМГ,

ТНТС, ТАВО, Птурб, Р10С-1, Рвых.ЦБК-

Построение графических зависимостей для системы с количеством переменных более трех не представляет практического смысла. Взаимосвязь основных технологических параметров НТС с ТДА описывается в виде трех номограмм, для построения которых предварительно осуществляется технолого-математическое моделирование установки НТС с ТДА в широком диапазоне изменения показателей эксплуатации. Система номограмм описывает взаимосвязь основных температур и давлений, поэтому для нее было принято название «термобарическая характеристика НТС с ТДА».

Рассмотрим принципы построения термобарической характеристики НТС с ТДА и работы с ней при решении технико-технологических задач на примере УКПГ Бованенковского НГКМ (рис. 2). Примеры номограмм, обобщающих режимы работы НТС с ТДА, представлены на рис. 3. Принятые допущения: температура входного сепаратора Т10С-1 = 26-29 °С в зависимости от ТАВО; значения ТАВО для компрессора ТДА и ДКС-1 идентичны; давление компрессора РКТДА = 5,9-6,5 МПа в зависимости от п1урб, дожимной станции - Рдкс-1 = 11,5 МПа.

Для построения номограмм проводится моделирование технологической схемы НТС с ТДА в широком диапазоне исследуемых параметров. По результатам моделирования строятся графики зависимости ТНТС и температуры на выходе УКПГ, а также Р10С-1 от ТАВО для различных степеней расширения в детандере п1урб. Три графика строятся на одном листе, при этом оси абсцисс идентичны и на них откладывают значения ТАВО Номограмма строится для фиксированных значений коэффициен-

Первичная ДКС-2, * НТС с ТДА * ДКС-1, Рекупе- Товарный

сепарация АВО АВО ративное газ в МГ

охлаждение

Газ со скважин

Стабилизация конденсата

Регенерация метанола

Стабильный

конденсат

Рис. 1. Структурная схема типовой УКПГ с применением технологии НТС с ТДА

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема установки подготовки газа и газового конденсата:

ФС-1, С-1, -2, -3 - газосепараторы; Т-1, -2, -3 - рекуперативные теплообменники «газ-газ»; ТД-1 - турбодетандерный агрегат; Е-1 - буферная емкость; ДКС-1 - выходная дожимная компрессорная станция; ДКС-2 - входная дожимная компрессорная станция; ДР-1, -2 - трехфазные разделители; Д-1 - емкость дегазации конденсата; К - компрессор; Д - детандер; ЗВНиВС - здание входных ниток и входных сепараторов

тов теплопередачи (для Т-1: 350 Вт/м2К; для Т-2: 420 - 2,5-(% байпаса) Вт/м2К), а также КПД-характеристик турбины (КПДд = 0,78) и компрессора ТДА (КПДКЛДА = 0,82). В соответствии с особенностями регулирования УКПГ />выхцбк может приниматься постоянным либо переменным в зависимости от п1урб.

C использованием термобарической характеристики можно определять:

• условия (ятур6, Р10С-1), необходимые для обеспечения проектных требований при различных температурах на выходе АВО (определяется характеристикой АВО и температурой атмосферного воздуха (Та));

• значения ТНТС и температуры газа на выходе УКПГ, которые будут обеспечены при фактических значениях КПД и птурб ТДА, эффективности теплообменников, Та и давления газа на входе в установку.

Опыт использования полученных номограммам (см. рис. 3) показал, что данный набор графиков достаточно информативен и позволяет решать технико-технологические задачи

на этапах проектирования и эксплуатации. Кроме того, термобарическая характеристика является основой для оптимизации и определения пределов работоспособности каждой технологической линии и всей системы НТС с ТДА, а также оптимального распределения нагрузки между ДКС-1 и ДКС-2 (см. рис. 2). Далее описаны примеры решения основных технико-технологических задач с использованием термобарической характеристики.

Разработка требований к режимам работы ТДА. По данным рис. 3 определяется значение п1урб, необходимое для обеспечения проектных требований к ТНТС и ТвхМГ. При ТАВО в диапазоне 22-27 °С (что соответствует Та в диапазоне 30-35 °С) п1урб должно составить 1,8-1,9. При более низких значениях ТАВО (10-17 °С) достаточно работать при п1урб, равном 1,6-1,7. Такой анализ необходимо проводить при выборе управляющих воздействий в ходе оперативного регулирования, при разработке требований к перспективным режимам работы ТДА и технологических требований

Рис. 3. Термобарическая характеристика технологического процесса НТС с ТДА

Бованенковского НГКМ

на изготовление агрегатов и их сменных проточных частей (СПЧ).

Определение сроков ввода ДКС-2 и технологических требований к режимам ее работы проводится на основании прогноза изменения давления газа на входе в УКПГ по годам разработки месторождения и оценки требуемого входного давления. Например, согласно данным рис. 3 для реализации режима работы УКПГ с п^ = 1,9, Р10С-1 должно составить 10,3-9,8 МПа.

Термобарическая характеристика УКПГ является основой оптимизации распределения загрузки ДКС-1 и ДКС-2 (см. рис. 2). По графикам на рис. 3 однозначно определяется соответствие значений птурб, давлений на входе в ДКС-1 и на выходе ДКС-2, а эти данные необходимы для оценки потребных мощностей комприми-рования и расхода топливного газа.

Сроки замены СПЧ ТДА и технологические требования на их разработку определяются путем сравнения требуемых значений расхода п1ур6 для перспективных режимов работы УКПГ и рабочего диапазона характеристики установленных агрегатов. Вопросы переоснащения могут возникать в случае существенных отклонений фактических условий эксплуатации от проектных. Например, возможны изменения состава газа или климата (потепление), которые потребуют более глубокого охлаждения газа в турбине ТДА, а следовательно, и увеличения птурб. В общем случае также могут иметь место задержки ввода ДКС-2 и/или более интенсивный темп падения пластового давления, что приведет к возникновению риска не обеспечить требуемые давления на входе в УКПГ. При этом то же правомерно говорить о целесообразности применения СПЧ с более высокими птурб, особенно с учетом того, что сроки их изготовления для ТДА значительно меньше, чем для газоперекачивающих агрегатов.

Оценка влияния ввода ДКС-2 на технологические режимы работы УКПГ. С помощью представленных номограмм (см. рис. 3) удобно проводить анализ влияния структурных изменений схемы на параметры технологических режимов. Для птурб = 1,9 также представлен график параметров НТС после ввода в эксплуатацию ДКС-2. В теплый период газ будет поступать в установку НТС с более высокой температурой, чем при работе без ДКС-2, но в холодный период появляется возможность

охладить газ до более низких температур, используя АВО ДКС-2. Следовательно, после ввода ДКС-2 линия номограммы, построенная для одного значения птурб, «осуществляет поворот» по часовой стрелке вокруг точки, которая соответствует ТвхМГ до ввода компрессорной станции. В результате ввод ДКС-2 облегчит достижение требуемых значений ТНТС в холодный период эксплуатации, но при этом усложнится работа в летний (жаркий) период.

Оценка пропускной способности УКПГ в жаркий период. Данная задача возникает при планировании объемов добычи в течение года, а также при разработке регламента эксплуатации в жаркий, а особенно в «нерасчетный жаркий», периоды.

На примере термобарической характеристики можно наглядно показать физические причины снижения пропускной способности УКПГ в нерасчетный жаркий период. По данным рис. 3, при превышении ТАВО определенного значения становится невозможно обеспечить требования к подготовке газа. Так, при птурб = 2,0 минимально необходимая ТНТС (-25 °С) не будет достигнута при ТАВО = 27 °С, а при птурб = 2,2 - при ТАВО = 34 °С. После достижения предельных температур повысить глубину охлаждения АВО можно только путем снижения массового расхода газа через них, что потребует снижения добычи газа. Очевидно, что предельные температуры атмосферного воздуха, при которых будут получены указанные ограничения, зависят от характеристик и количества установленных АВО газа.

Таким образом, задача оценки пропускной способности УКПГ в жаркий период решается на основании учета термобарической характеристики процесса НТС с ТДА, типа и технического состояния АВО газа. Пример снижения пропускной способности УКПГ при увеличении Та представлен на рис. 4. Аналогичные зависимости могут быть построены для каждого УКПГ. По ним определятся максимальное количество технологических линий (ТЛ), объем продукции которых при заданной Та может быть подготовлен к транспорту в соответствии с проектными требованиями.

Разработанный методический подход к изучению технологического процесса НТС с ТДА успешно применен для решения исследовательских и инженерных задач на УКПГ Бованенковского и Заполярного месторождений. Это позволяет сделать вывод, что данный

90

80

£ 70

>

60

50

40

о

X

5 о

£

30

20

10

8ТЛ

7ТЛ

6ТЛ

5ТЛ

4ТЛ

! 3 ТЛ

12ТЛ

1 ТЛ

10

15

20

25

30 Т°С

Рис. 4. Определение пропускной способности УКПГ с технологией НТС с ТДА в зависимости от температуры окружающего воздуха

подход является удачным обобщением первого практического опыта эксплуатации и одновременно инструментом для последующих исследований. Кроме того, методический подход позволяет наглядно и максимально просто объяснять основные принципы работы НТС с ТДА, поэтому может быть использован в образовательных целях, например при подготовке эксплуатационного персонала УКПГ.

Использование номограмм будет полезно в практике эксплуатации установок НТС с ТДА, для оперативного анализа режимов работы технологических линий, отдельных аппаратов и машин, УКПГ в целом, а также прогноза режимов работы установки или технологических линий.

Перечень задач, которые могут быть решены с использованием представленного методического подхода, делает возможным его применение при проектировании новых УКПГ, работающих по способу НТС с ТДА. В частности, анализ многопараметрического процесса НТС с ТДА позволит определять требуемые параметры турбохолодильного (КПД, л^, и др.) и теплообменного оборудования на этапе проекта с учетом переменных режимов работы. Предложенный способ рекомендуется использовать на этапе разработки основных технических решений для новых УКПГ (п-ова Ямал, Восточной и Западной Сибири, шельфовых месторождений и т.д.).

Таким образом, разработан методический подход к анализу работы УКПГ способом НТС с ТДА с использованием термобарической характеристики процесса. Наглядная интерпретация результатов математического моделирования упрощает их анализ и помогает решать следующие технико-технологические задачи на этапах проектирования и эксплуатации УКПГ:

• осуществлять комплексную оценку эффективности каждой единицы оборудования с учетом влияния на эффективность технологии в целом;

• определять область допустимой работы технологии, в которой обеспечиваются требования к подготовке газа;

• определять сроки замены СПЧ существующих ТДА и разрабатывать технологические требования к их модификации;

• принимать решения в области оперативного регулирования и дальнейшего совершенствования технологической системы;

• устанавливать сроки ввода ДКС и требования к режимам ее работы.

Расчет и построение термобарической характеристики рекомендуется использовать на этапе разработки основных технических решений для новых УКПГ. Это даст возможность проводить многофакторный анализ технологического процесса и определять оптимальное сочетание технических характеристик

5

0

5

технологического оборудования - коэффициентов теплопередачи, отношения давлений и т.п.

С учетом широкого спектра задач, решаемых с использованием термобарической характеристики, предложенный методический

подход обладает потенциалом для включения в нормы технологического проектирования установок низкотемпературной сепарации с турбо-холодильными агрегатами.

Список литературы

1. Зарницкий Г.Э. Теоретические основы использования энергии давления природного газа / Г.Э. Зарницкий. - М.: Недра, 1968. -297 с.

2. Язик А.В. Системы и средства охлаждения природного газа / А.В. Язик. - М.: Недра, 1986. - 200 с.

3. Кубанов А.Н. Анализ вариантов подготовки газа Бованенковского ГКМ и условий эксплуатации газопровода / А.Н. Кубанов, В.А. Сулейманов, Е.Н. Туревский // Газовая промышленность. - 1994. - № 3. - С. 8.

4. Язик А.В. Турбодетандеры в системах промысловой подготовки газа / А.В. Язик. -М.: Недра, 1977. - 173 с.

5. Туревский Е.Н. Новые технические решения при обустройстве Ямбургского ГКМ: обз. инф. / Е.Н. Туревский, В.И. Елистратов, А.Н. Кубанов и др. // Подготовка и переработка газа

и газового конденсата. - М.: ВНИИЭгазпром, 1988. - Вып. 5. - 10 с.

6. Кубанов А.Н. Технологический анализ работы турбохолодильной техники на начальном этапе эксплуатации УКПГ-2 Бованенковского НГКМ / А.Н Кубанов, М.А. Воронцов,

Д.М. Федулов и др. // Вести газовой науки: Проблемы эксплуатации газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013. - № 4 (15). - С. 84-89.

7. Кубанов А.Н. Альтернативные варианты подготовки газа морских месторождений / А.Н. Кубанов, Ю.А. Морев, Т.С. Цацулина // Состояние и перспективы освоения морских нефтегазовых месторождений. - М.: ВНИИГАЗ, 2003. - С. 139-145.

8. Кубанов А.Н. Особенности применения НТС для подготовки газа Бованенковского ГКМ / А.Н. Кубанов // Газовая промышленность. -1994. - № 7. - С. 15.

9. Кубанов А.Н. Специфика применения низкотемпературной технологии подготовки газа сеноман-аптских залежей полуострова Ямал / А.Н. Кубанов, А.В. Козлов,

Т.С. Цацулина и др. - М.: ИРЦ Газпром. -2008. - 92 с.

10. Кубанов А.Н. Пути решения задачи подготовки газа неоком-юрских залежей месторождений полуострова Ямал с получением стабильного конденсата / А.Н. Кубанов, А.В. Козлов,

Т.С. Цацулина и др. // Наука и техника в газовой промышленности. - 2010. - № 4. -С. 54-60.

11. Кубанов А.Н. Применение турбохолодильной техники на УКПГ: компрессор-детандер или детандер-компрессор / А.Н. Кубанов, А.В. Козлов, А.В. Прокопов и др. // Наука

и техника в газовой промышленности. - 2011. -№ 3. - С. 55-62.