Анализ низкотемпературной сепарации с изоэнтальпийным расширением газа

АНАЛИЗ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ С ИЗОЭНТАЛЬПИЙНЫМ РАСШИРЕНИЕМ ГАЗА Габдулов И.Н.

Габдулов Ильяс Ниязович - аспирант, факультет научно-педагогических кадров и кадров высшей квалификации, Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) им. И.М. Губкина, г. Москва

Аннотация: подготовка природного газа к транспорту с целью извлечения из него ценных жидких углеводородов (пропан, бутан этан и пентановые фракции) необходимо применять технологии низкотемпературной сепарации. В статье рассматриваются способ подготовки природного газа при помощи низкотемпературной сепарации, а именно технология низкотемпературной сепарации с изоэнтальпийным расширением газа. Установка НТС с дросселем, как правило, включает двух- или трехступенчатую сепарацию газа, его охлаждение между ступенями сепарации в рекуперативных теплообменниках, изоэнтальпийное расширение газа, разделение в трехфазных разделителях отводимой из сепараторов жидкой фазы на нестабильный конденсат и водный раствор ингибитора гидратообразования (метанола или гликоля) с частичной их дегазацией. С термодинамической точки зрения изоэнтальпийное расширение газа не вполне эффективно в качестве холодопроизводящего процесса, поскольку потенциальная работа, которую мог бы совершить расширяющийся газ, усваивается потоком в виде теплоты. Тем самым эффективность дроссельной технологии охлаждения оказывается существенно ниже потенциально возможной. Произведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков данной технологии. Ключевые слова: низкотемпературная сепарация, природный газ, дроссель, охлаждение газа, технологии.

Введение

Развитие газовой промышленности РФ в ближайшие десятилетия будет обусловлена главным образом вводом новых крупных газовых и газоконденсатных месторождений севера РФ: п-ова Ямал, Обской и Тазовской губ, Штокмановского месторождения, Архангельской области, Республики кому и др., а также с ведением новых добывающих объектов на Бованенковском, Астраханском и Оренбургском ГКМ и др. Это предъявляет на современном международном уровне определенные требования к проектированию и модернизации соответствующих систем сбора и подготовки газа и конденсата с учетом их долговременной эксплуатации [1].

НТС с изоэнтальпийным расширением газа

Технически наиболее простым способом охлаждения газа на УКПГ при наличии перепада давлений является его изоэнтальпийное расширение. Процесс изоэнтальпийного расширения реализуется в дроссельном и эжекторном устройствах. Технология НТС в отечественной практике используется с 60-х годов XX века на месторождениях Средней Азии, Оренбургском, Карачаганакском и др. ГКМ [2]. В настоящее время технология НТС эффективно применяется на многих газоконденсатных месторождениях Западной Сибири [3].

I 10 I

Выход

II

V

4-

Выход'

оо

IV

Рис. 1. Схема установки НТС с дросселем: 1, 4 — сепараторы; 2, 5 — теплообменники;

3 — штуцер (дроссель); 6 — насос; 7 — установка регенерации гликоля; 8 — фильтр;

9 — трехфазный разделитель; I — сырой газ; II — сухой газ; III — конденсат газовый и вода;

IV — конденсат газовый и насыщенный гликоль; V — конденсат газовый;

VI — гликоль насыщенный; VII — гликоль регенерированный

Простейший вариант технологии НТС представлен на рис. 1 (здесь приведена только принципиальная схема без каких-либо деталей). Сырой газ со, скважин поступает на первую ступень сепарации во входной сепаратор 1, где от газа отделяется водная фаза и нестабильный углеводородный конденсат, выпавшие в стволах скважин и газосборных сетях. Далее отсепарированый газ поступает в

теплообменник2 типа "газ —газ" для рекуперации холода сдросселированного газа, где охлаждается на 10— 15 °С и более. Охлажденный газ из теплообменника подают на расширительное устройство 3, после которого его температура вследствие эффекта Джоуля — Томсона понижается от ( - 10) до ( - 30) 0С. После дроссельного устройства 3 обрабатываемый газ вместе со сконденсировавшейся жидкой фазой поступает в низкотемпературный сепаратор4, где от него отделяется жидкая фаза (водная и углеводородная), а очищенный от влаги и тяжелых углеводородов (С5+в) холодный газ проходит рекуперативный теплообменник 2 в противотоке с "сырым" газом и далее поступает в газопровод в качестве товарного продукта. Теплообменник 2 по потоку холодного осушенного газа в начальный период эксплуатации может частично байпассироваться (при наличии избыточного давления на входе в установку). Эффективность охлаждения газа посредством использования процесса изоэнтальпийного расширения газа с рекуперацией холода может достигать 10—12 °С на 1 МПа свободного перепада.

Не стоит забывать, что в процессе эксплуатации газовых скважин пластовое давление падает (при этом содержание углеводородного конденсата в пластовом газе уменьшается), так что "свободный перепад" давления на дросселе уменьшается (происходит, как иногда образно говорят, "исчерпание" дроссель-эффекта) и, следовательно, повышается температура сепарации, — в результате не только удельное количество, но и степень извлечения целевых компонентов уменьшается. Так же термодинамическое несовершенство изоэнтальпийного расширения газа как холодопроизводящего процесса (потенциальная работа, которую мог бы совершить расширяющийся газ, "усваивается" потоком в форме теплоты, тем самым эффективность охлаждения снижается).

В то же время с термодинамической точки зрения принципиальное улучшение технологии НТС может быть осуществлено заменой неэффективного процесса охлаждения газа посредством изоэнтальпийного охлаждения (дросселирования) на термодинамически более совершенный процесс изоэнтропийного расширения (точнее говоря, — на некоторый политропический процесс, достаточно близкий к

I 11 I

изоэнтропийному) с использованием детандерной технологии расширения природного газа. На рисунке 2 для типичного состава газа газоконденсатных месторождений наглядно показана существенно большая эффективность охлаждения газа в изоэнтропийном процессе, поскольку в последнем случае природный газ при расширении совершает работу. Работа, совершаемая расширяющимся газом, может утилизироваться, например, для выработки электроэнергии (это особенно эффективно в начальный период эксплуатации газового промысла). Другой наиболее распространенный вариант — получаемая работа непосредственно используется для компримирования охлажденного газа после отделения сконденсировавшейся жидкой фазы в низкотемпературном сепараторе.

14 г

12

л

сю -

с 8 -

а

<е

2 -

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 /,аС

Рис. 2. График снижения температуры газа при изоэнтропийном

расширении

В технологической схеме НТС (см. рис. 1) дросселирующее устройство 3 заменяется на турбодетандер, который располагается на одном валу с компрессором (используют термины: турбокомпрессорный или же детандер-компрессорный агрегат, последний термин более точен) [4].

Дроссельная технология НТС характеризуется низкими капитальными и эксплуатационными затратами и легкостью регулирования технологического процесса, но имеет ряд недостатков, которые наиболее ярко проявляются при высоких значениях температуры входного потока, а именно:

1) требуемый перепад давления по установке составляет 5-6 МПа, что предполагает ранний ввод дожимной компрессорной станции (ДКС) иногда с самого начала эксплуатации месторождения;

2) требуется компрессорная установка для утилизации низконапорных газов концевой ступени дегазации конденсата;

3) в летний период не всегда обеспечивается отрицательная по Цельсию температура товарного газа, так как для выполнения этого условия требуются слишком высокие входные давления (12 МПа и более).

Вместе с тем при определенных условиях технология НТС с дросселем может успешно решать все задачи УКПГ и являться реальной альтернативой технологии НТС с турбодетандерным агрегатом (ТДА). Она может быть рекомендована в следующих случаях:

1) на начальной стадии разработки месторождения при высоких давлениях входного газа;

2) на объектах, где отсутствует требование к подаче газа в магистральный газопровод (МГ) с низкой температурой. В этом случае появляется возможность осуществлять полную рекуперацию холода в рекуперативном теплообменнике «газ-

I 12 I

газ» и достигнуть достаточно низких температур НТС за счет располагаемого перепада давления;

3) если приходящий на УКПГ газ имеет низкие температуры (ориентировочно ниже 10 °С), что характерно для разрабатываемых морских месторождений.

Дроссельная технология НТС может успешно применяться с обеспечением не только требуемого уровня температуры НТС, но и отрицательной температуры газа на выходе в течение 9-10 месяцев в году, если в технологическую схему УКПГ включить воздушное охлаждение газа первичной сепарации [5].

Список литературы

1. Макарова Н.П., Федорова Е.Б. Мельников В.Б. Сбор и подготовка газа и газового конденсата. Низкотемпературные процессы. Учебное пособие. Россия. Москва: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. 328 а

2. Бекиров Т.М. Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов // Москва: Недра, 1986. С. 261.

3. Касперович А.Г. Балансовые расчеты при проектировании и планировании переработки углеводородного сырья газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений: учебн пособ. // Москва: КДУ, 2008. С. 412.

4. Гриценко А.И. и др. Сбор и подготовка газа на северных месторождениях России // Москва: ОАО «Издательство «Недра», 1999. С. 473.

5. Прокопов А.В. и др. Современное состояние технологий промысловой подготовки газа газоконденсатных месторождений. УДК 622.279.8. // Научно-технический сборник Вести газовой науки. № 3 (23), 2015.

I 13 I