ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР
GAS EJECTOR

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может использоваться для промысловой подготовки и переработки газа и газового конденсата на газоконденсатных или нефтегазоконденсатных месторождениях в составе установок низкотемпературной конденсации (сепарации) с использованием способа ступенчатой дегазации или ректификации нестабильного конденсата для его частичной или полноценной стабилизации с эжектором для утилизации газа дегазации (стабилизации, деэтанизации).
В настоящее время на газоконденсатных месторождениях достаточно широко применяются газовые эжекторы, в которых давление низконапорного (НН) газа дегазации газового конденсата увеличивают за счет смешения этого потока с потоком высоконапорного (ВН) газа установки промысловой подготовки газа. Газовые эжекторы обычно выполняют по схемам с осевым или радиальным подводом к корпусу ВН газа, с радиальным подводом НН газа и осевым выходом из корпуса смеси газов. Для повышения надежности газовых эжекторов, работающих в режиме гидратообразования в проточной части, в поток ВН газа вводят ингибитор, выполняют подогрев камеры смешения или используют другие способы.
Однако актуальной проблемой пока остается повышение надежности газовых эжекторов на режимах с гидратообразованием, в том числе обеспечение стабильной работы эжекторов при уменьшенных подачах ингибитора.
Традиционные газовые эжекторы [1] с осевым подводом ВН газа, радиальным подводом НН газа и осевым выходом смеси газов известны достаточно давно. Они имеют классическое конструктивное исполнение и включают форкамеру высокого давления, сопло ВН газа, форкамеру газа низкого давления, камеру смешения с диффузором. Эжектирующий ВН газ поступает в камеру смешения через сопло, НН газ поступает в ту же камеру смешения через кольцевую щель в виде разделенных потоков с различными параметрами.
Недостатком таких эжекторов является большая трудоемкость пусконаладочных работ при фланцевом креплении деталей проточной части в корпусе аппарата и повышенный расход ингибитора гидратообразования в условиях промысловой подготовки газа на газоконденсатных месторождениях.
Известен газовый эжектор (патент RU №2074988 от 10.03.1997 г.). В этом устройстве для предотвращения отложений гидратов и парафинов на рабочих поверхностях, наружная поверхность сопла теплоизолирована, а места перехода полости сопла в камеру смешения и камеры смешения в диффузор выполнены в виде кольцевых пазов, заполненных пористым материалом и соединенных каналами с резервуаром для подачи ингибитора.
К недостаткам этого устройства можно отнести следующее. Для устойчивой подачи ингибитора через пористые стенки камеры смешения требуется дополнительная фильтрация ингибитора, что затрудняет эксплуатацию.
Известен газовый эжектор (патент RU №2151920 от 27.06.2000 г.), который выбран в качестве наиболее близкого аналога к настоящему изобретению. Он содержит полый корпус с форкамерами и патрубками ВН и НН газа и смеси газов и размещенную в корпусе сменную проточную часть с соплом и камерой смешения с диффузором.
Камера смешения снабжена осевым фланцевым креплением в корпусе, что является недостатком такого устройства, так как затрудняет его сборку, а внутренняя поверхность входного участка сопла выполнена с гладкими стенками, что приводит к увеличению расхода ингибитора гидратообразования в условиях подготовки газа на газоконденсатных месторождениях.
Также в дополнение к вышеизложенному можно добавить, что из уровня других областей техники известны технические решения, относящиеся к конструктивному исполнению сопла, на внутренней поверхности которого выполнены различные углубления, канавки и другие элементы. Например, в конструкции струйного насоса (АС №1112154 от 07.09.1984 г.) для повышения надежности и КПД на внутренней поверхности пассивного сопла выполнены винтовые канавки. За счет них осадок (пассивная среда), содержащийся в жидкости, получает вращательное движение, в результате чего производится взмучивание осадка в зоне входного отверстия и размывание скоплений на входе в сопло. Это предотвращает засорение и уменьшает гидравлическое сопротивление проточной части.
Подобные технические решения как устройства в целом, так и его отдельных элементов могут использоваться, например, в системах гидротранспорта жидкостей с взвесями, но не предназначены для эжекции газовых сред, что можно отнести к их недостаткам относительно заявленного изобретения.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности газового эжектора при работе в условиях подготовки газа на газоконденсатных месторождениях и снижение трудоемкости наладки и обслуживания устройства.
Поставленная задача решается за счет предлагаемого устройства газового эжектора, в котором такие известные признаки, как полый цилиндрический корпус с форкамерами и патрубками высоконапорного газа, низконапорного газа и смеси газов, размещенная в корпусе сменная проточная часть, включающая сопло с входным коническим участком и камеру смешения с диффузором, имеют следующие отличительные особенности. Сопло содержит турбулизатор пленки жидкости, выполненный в виде поочередно расположенных по длине входного конического участка по меньшей мере двух кольцевых впадин и выступов, сопло закреплено на съемной втулке с выполненными по периметру продольными щелями, образующими каналы для прохождения высоконапорного газа от форкамеры к соплу, и содержащей в торцовой части поперечную перегородку с обтекателем, камера смешения с диффузором закреплена в корпусе радиальными штифтами, которые сопряжены с пазами, выполненными на камере смешения.
Кроме того, задача будет успешно выполнена, если:
- входной конический участок сопла выполнен с углом от 12° до 18°;
- длина входного конического участка сопла составляет от 2,8 до 3,2 диаметра сопла в критическом сечении;
- ширина впадин турбулизатора пленки жидкости составляет от 0,1 до 0,2 диаметра сопла в критическом сечении;
- высота выступов турбулизатора пленки жидкости составляет от 0,03 до 0,05 диаметра сопла в критическом сечении;
- съемная втулка содержит кольцевую канавку, сообщенную каналами, расположенными в сопле, с впадинами турбулизатора пленки жидкости.
Достигаемый данным изобретением технический результат заключается в уменьшении расхода ингибитора гидратообразования и снижении порога осаждения кристалогидратов, а также обеспечении стабильной работы оборудования в составе технологической линии и сокращении межремонтного периода.
Более подробно изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
фиг. 1 - общий вид газового эжектора;
фиг. 2 - продольный разрез сопла;
фиг. 3 - сечение A-A на фиг. 1;
фиг. 4 - продольный разрез съемной втулки с кольцевой канавкой и сопла с каналами, сообщенными с турбулизатором пленки жидкости.
к
Газовый эжектор включает полый цилиндрический корпус 1 с кольцевой форкамерой 2 и подключенным к ней патрубком 4 для подачи ВН газа, форкамерой 3 и подключенным к ней патрубком 5 для подачи НН газа, и патрубок 6 для отвода смеси газов. С помощью накидной гайки 7 на корпусе закреплена съемная крышка 8. Внутри полости корпуса размещены съемные детали проточной части: сопло 9 и цилиндрическая камера смешения 10 с коническим диффузором 11. Основным геометрическим параметром камеры смешения является ее диаметр D. Сопло закреплено на съемной полой втулке 12, которая имеет оптимальное конструктивное решение для удобства сборки. А именно она содержит выполненные по периметру втулки продольные щели 13, в торцовой части втулки расположена поперечная перегородка 14 с обтекателем 15. Продольные щели 13 образуют каналы для прохождения ВН газа от форкамеры 2 к соплу 9. Обтекатель 15 предусмотрен для уменьшения потерь давления на входе ВН газа в сопло.
Проточная часть сопла имеет форму сопла Лаваля с коническими входным 16 и выходным 17 участками и плавным тороидальным сопряжением между ними в зоне критического сечения.
*
Основные геометрические параметры сопла характеризуются величиной угла входного конического участка α°, длиной входного участка l и диаметром критического сечения сопла d. На входном коническом участке сопло содержит турбулизатор пленки жидкости, выполненный в виде поочередно расположенных по длине кольцевых впадин 18 и 20, имеющих ширину b, и выступов 19 и 21 с высотой с относительно впадин.
Зазор между соплом и камерой смешения 22 имеет плавно суживающееся проходное сечение для подачи НН газа от соответствующего патрубка 5 в камеру смешения 10. Величину этого зазора регулируют подбором толщины прокладки 23.
Положение камеры смешения с диффузором в корпусе газового эжектора зафиксировано радиальными штифтами 24, сопряженными с кольцевым пазом 25 камеры смешения. Штифты выполнены с отверстием 26 для съемника. Полости размещения штифтов 27 заглушены пробками 28.
Съемная втулка может дополнительно содержать кольцевую канавку 29, а в сопле выполнены каналы 30, которые сообщаются с впадинами 18 турбулизатора пленки жидкости.
Кольцевая канавка 29 и каналы 30 предназначены для дополнительного распыливания пленки жидкости, которая образуется на входном участке сопла в процессе работы.
Устройство работает следующим образом.
Эжектирующий ВН газ по патрубку 4 поступает в форкамеру 2 и далее по каналам, образованным продольными щелями 13 съемной втулки 12, поступает в сопло 9, где осуществляется преобразование располагаемого перепада давления ВН газа в скоростной напор с понижением температуры газа и конденсацией растворенных в газе тяжелых углеводородов и водных растворов.
Эжектируемый НН газ по патрубку 5 и зазору 22 поступает в камеру смешения 10 и диффузор 11, где осуществляется взаимодействие потоков и их торможение. При этом давление смеси газов увеличивается. Смесь газов отводят по патрубку 6.
Для предотвращения образования гидратов в проточной части устройства в поток ВН газа подают ингибитор, например метиловый спирт, образующий со сконденсированной водой в газе водный раствор. На входном коническом участке сопла упомянутый водный раствор включает взвешенные в газе капли и пленку жидкости на стенке сопла.
В том случае если внутренняя поверхность сопла выполнена гладкой (как, например, в упомянутом выше аналоге по патенту RU №2151920), наличие пленки жидкости на стенке такого гладкого сопла ухудшает смешивание и массообмен между газом и жидкостью. При недостаточной подаче ингибитора это приводит к образованию гидратов в проточной части устройства, что снижает его надежность.
Конструкция сопла с турбулизатором пленки жидкости на входном коническом участке, выполненным в виде поочередно расположенных, например, как проиллюстрировано на фиг. 2, двух кольцевых впадин и выступов, улучшает смешивание и массообмен между газом и жидкостью в потоке ВН газа. Это повышает надежность устройства при недостаточной подаче ингибитора.
Экспериментально было установлено, что наиболее оптимальными и предпочтительными геометрическими размерами конструкции сопла в рассматриваемых условиях являются такие, как:
- величина угла α° расположена в границах от 12° до 18°;
*
*
- длина входного конического участка l составляет от 2,8d до 3,2d (так называемое длинное сопло);
*
*
- ширина кольцевых впадин турбулизатора пленки жидкости b выбрана в диапазоне от 0,1d до 0,2d;
*
*
- высота выступов с турбулизатора пленки жидкости относительно впадин находится в пределах от 0,03d до 0,05d.
В отличие от сопла с гладкими стенками конструкция сопла с турбулизатором пленки жидкости, содержащем поочередно расположенные по длине входного участка сопла кольцевые впадины и выступы, улучшает распыл водных растворов ингибитора гидратообразования и смешивание газожидкостных потоков в сопле, что повышает надежность работы газового эжектора в условиях подготовки газа на газоконденсатных месторождениях при ограниченной подаче ингибитора. Более того, применение длинного сопла уменьшает скольжение капель в газовом потоке и неравновесность расширения двухфазного потока в сопле, что повышает эффективность эжектирования НН газа.
Крепление сопла на съемной втулке с поперечной перегородкой, обтекателем и продольными щелями для прохода ВН газа от форкамеры к соплу, а также крепление камеры смешения с диффузором в корпусе с помощью радиальных штифтов упрощает сборку и разборку газового эжектора.
Также необходимо отметить, что подобное крепление внутренних конструктивных элементов в заявленном изобретении по сравнению с аналогами, использующими фланцевые способы крепления в корпусе устройства внутренних элементов, приводит к дополнительному положительному результату, а именно уменьшается масса газового эжектора и, следовательно, снижается металлоемкость и массогабаритные параметры в целом.
Использование конструкции сопла с кольцевой канавкой 29 и каналами 30 предпочтительно при повышенном, например, более 1-2% содержании капельной жидкости в ВН газе до сопла. При этом перепуск части жидкости из канавки 29 через каналы 30 в полость впадины 18 снизит расход жидкости, диспергируемой на выступе 19 турбулизатора сопла, и улучшит распыливание пленки жидкости в сопле.
Все признаки настоящего изобретения могут быть реализованы в конкретные конструктивные элементы (детали, сборочные единицы) газового эжектора с использованием традиционных технологий изготовления трубопроводов и аппаратов.
Работоспособность устройства была проверена на установке комплексной подготовки газа к транспорту УКПГ-2 Северо-Уренгойского газоконденсатного месторождения. УКПГ-2 включает 3 технологические линии с эжекторами для утилизации газа дегазации газового конденсата из выветривателей конденсата и централизованную подачу ингибитора.
Типичные параметры эксплуатации газового эжектора на УКПГ-2 приведены в следующей таблице.
Первоначальная конструкция газовых эжекторов включала гладкие сопла Лаваля с углом вершины входного участка 60°, установленные на съемных втулках. Для крепления камер смешения с диффузором в корпусах эжекторов использовались радиальные штифты.
На фактических режимах работы в одинаковых условиях по параметрам ВН и смеси газов и при одинаковой конструкции эжекторов один из эжекторов не обеспечивал утилизацию НН газа вследствие отложения гидратов в виде твердого кольцевого слоя белого цвета на внутренней стенке камеры смешения при неравномерной подаче ингибитора в эжекторы.
*
Замена исходного сопла в проблемном эжекторе на длинное сопло с турбулизатором пленки жидкости согласно настоящему изобретению с величиной угла конуса на входном участке 15° и длиной входного участка 3d при прочих равных условиях обеспечила совместную работу трех эжекторов за счет повышения эффективности и надежности проблемного эжектора.
Таким образом, настоящее изобретение решает поставленную задачу повышения надежности работы газового эжектора в условиях подготовки газа на газоконденсатных месторождениях при ограниченной подаче ингибитора, облегчает сборку и наладку оборудования, что приводит к достижению указанного технического результата.
Источник информации
1. Всесоюзный научно-исследовательский институт природных газов (ВНИИГАЗ). Инструкция по эксплуатации эжекторов. Разработана ст.н.с. И.Н. Царевым, П.Г. Сидор, Москва, 1982 г., стр. 4-5, стр. 6, рис. I - Газовый эжектор.