Определение уноса капельной жидкости и механических примесей в газовом потоке

УДК 532

Р. Р. Сираев, М. Н. Ахлямов, С. В. Юшко ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНОСА КАПЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ

Ключевые слова: Подготовка газа, массовое содержание дисперсной фазы, эффективность сепарации газа, капельная жидкость, дисперсная фаза, содержание капельной жидкости, измеритель содержания дисперсной фазы, изокинетический

зонд.

В данной статье рассмотрены вопросы содержания дисперсных частиц в газовых потоках, в выходных трубопроводах сепарационного оборудования; основные аспекты при анализе и оценки эффективной работоспособности сепарационного оборудования на установках комплексной подготовки природного газа.

Keywords: Preparation of gas, the weight content of the dispersed phase, the separation efficiency of gas, liquid drops, the dispersed phase, the content of liquid drops, measuring the content of the dispersed phase, isokinetic.

This paper under discussed of the content of the motion of dispersed particles in the gas flow in the outlet conduit separation equipment; the main aspects in the analysis and evaluation of the effective performance of the separation equipment installations of complex preparation of natural gas.

Практически любая технология подготовки природного газа к транспортированию будь то: абсорбционная, адсорбционная или

низкотемпературная включает в себя, сепарационное оборудование которое

устанавливается в качестве первичной, промежуточной или конечной ступени. От эффективной работы сепарационного оборудования во многом зависит срок эксплуатационной службы основного оборудования - ДКС, ТДА и т.д. С каждым годом требования к сепарационному оборудованию ужесточаются. Кроме наделенных функций сепарации газового потока от жидкости возникают задачи и очистки газового потока от механических включений, с выводом последних из аппарата по возможности без остановки сепарационного оборудования.

На месторождениях, находящихся на завершающих эксплуатационных стадиях (Ямбургское, Уренгойское, Медвежье, Юбилейное и т.д.), добыча газа сопровождается повышенной минерализацией увлекаемой газом пластовой воды и механическими примесями. Эффективная сепарация газа на первичной стадии позволяет избежать отложения солей и износ лопаток нагнетателей ДКС, ТДА и тем самым продлить межремонтный срок эксплуатации оборудования в целом. К сожалению, нарушение эксплуатации

технологического режима скважин приводит к увлечению не только жидкости, но и механических примесей, которые как следствие сопровождается отложениями на сепарационных ступенях первичных сепараторовт и их вторичному выносу с последствиями в виде эрозионного износа узлов оборудования технологической цепочки.

Исключить такие последствия возможно при наличии:

- квалифицированного персонала;

- соблюдения технологического режима работы сепараторов;

- контролирующих средств измерений (расходомеров) на оборудовании для соблюдения

технологического режима с использованием регулируемых устройств;

- методов и технических устройств мониторинга эффективности сепарационного оборудования (измерители капельного уноса жидкостей и механических примесей).

Если соблюдение первых из трех перечисленных пунктов является правилом, то по поводу последнего из пунктов вопрос остается открытым на протяжении уже более 20 лет. Принцип работы любого сепаратора основан на использовании одного или нескольких механизмов осаждения взвешенных в газе аэрозольных частиц (в виде жидкости или механических примесей). Влияние каждого из механизмов на общую эффективность сепарации зависит от размеров частиц, физических свойств среды и условий проведения процесса. При одновременном действии нескольких механизмов общую эффективность можно записать по правилу аддитивности эффективностей [1-4]:

П:

= 1 -П(1 ),

где 7 - эффективность сепарации за счет 1-го механизма.

Однако, на газодобывающих предприятиях будь то ОАО «Газпром» или частные компании, специалистов интересует не общая эффективность сепараторов а конечное фиксированное значение уносимого газом аэрозольных частиц (например не более 5 мг/м3 газа жидкости и не более 2 мг/м3 механических примесей). Такие требования, как правило, предъявляют к качеству газа перед сжатием производители ТДА и ДКС. При этом их не интересует, какое количество дисперсных частиц поступает на сепарацию. Т.е, сепаратор в их представлении некое устройство, которое улавливает все, минимизируя концентрацию уносимой дисперсной фазы в выходном газовом потоке, которую пытаются нормировать в техническом задании.

Если рассматривать задачу по выбору сепарационного оборудования для УКПГ с точки

зрения эффективности, то эффективность принято считать по имеющимся количественным показателям, например измеренным концентрациям жидкости и механических примесей во входном и выходном потоках. При этом для измерения концентрации жидкости и механических примесей в газовом потоке должны быть разработаны специальные методики и технические приспособления для их реализации. При их наличии эффективность можно оценить по выражению:

- п X

п..

Лс _-

-х100%

Лс _ 1 -

п

к + пк)

х100%

где Пн - массовая концентрация жидкости и/или механических примесей в единице газового объема поступающей на сепарацию, мг/м3; Пк - массовая концентрация жидкости и/или механических примесей в единице газового объема, на выходе из

сепаратора мг/м3; пс _ пн — пк - отсепарированная

жидкость в кубовой части сепаратора при прохождении конечного объема газа через сепаратор за конечный промежуток времени, мг/м3;

Необходимо знать начальную, конечную концентрацию жидкости в единице газового объема или конечную концентрацию и количество отсепарированной жидкости в кубовой части за определенный промежуток времени. По выражению 3 наиболее часто определяют эффективность работы сепаратора и это во многом благодаря измерению концентрации жидкости и механических частиц по выходу сепаратора наиболее корректно. Этому способствует равномерное распределение оставшегося аэрозоля в выходном газовом потоке.

Рассмотрим случай в котором исходный газовый поток поступает на сепараторы посредством системы трубопроводов по коллекторной схеме представленной на рис.1.

Рис. 1 - Спроектированная система распределения потока газа в цехе очистки газа

Из рис.1 следует, и как показывает практика, последний сепаратор С-7 в коллекторной схеме является наиболее нагруженным жидкостью инерционно движущейся по направлению газового потока. Следовательно, при одинаковых внутренних

сепарирующих устройствах, основанных на одних и тех же механизмах осаждения жидкости, установленных в сепараторах и равном «уносе капельной жидкости» из них, эффективность последнего рассчитываемо выше, так как эффективность есть функция от начальной

концентрации - пн , (Лс _ /(пн)).

Следуя научной терминологии под «уносом» капельной жидкости в зарубежной и отечественной литературе, понимается переход жидкой пленки в газовое ядро потока, в результате одного из двух процессов: волновой унос и унос в результате выделения пузырей [5]. Поэтому данный термин -«унос жидкости», получивший широкое распространение в газовой промышленности, по своей сути не отражает общемировое понимания уноса. Авторы здесь и далее считают более необходимым использовать термин распределенная дисперсная фаза, а измерители или устройства для их определения называть измерителями содержания дисперсной фазы в газовом потоке - ИСДФ. Под дисперсной фазой следует понимать как жидкие, так и твердые включения, независимо от их распределения по дисперсности.

Как уже отмечалось, в газовой промышленности широкое распространение нашел метод отбора части потока газового потока изокинетическим зондом.

Измерение массовой концентрации капельной жидкости в газовом потоке производилось на линиях выхода газа из сепараторов техническим устройством ИСДФ-3.

Исследование фактической массовой концентрации капельной жидкости в газовом потоке проводились с помощью стационарно установленного в трубопровод изокинетического зонда, по которому протекает технологический поток. Изокинетический зонд предназначен для отбора части исследуемого двухфазного потока.

Изокинетический зонд имеет заостренный наконечник - диффузор, с калиброванным отверстием рис.2. Выступающая часть зонда необходима для выделения точки отбора потока за пределом набегающего тормозного вихря, возникающего при торможении потока на отводящей трубке. Зонд предназначен для выделения из всего потока струи, соответствующей поперечному разрезу диффузора. При этом скорость потока при его входе в зонд не изменяется и равна скорости движения основного потока по трубопроводу - т. е. отбор осуществляется в изокинетическом режиме.

Рис. 2 - Изокинетические зонды

Внутреннее сечение трубопровода разбивается на три виртуальные зоны равной площади, и проба отбирается из геометрического цента площади сечения.

В зависимости от массовой концентрации жидкости в газе, объем содержащейся капельной жидкости определяется двумя способами: объемным способом и методом определения привеса на фильтрующих патронах.

Объемный метод предполагает определение объема жидкости, которая отделилась от газа в высокоэффективном фильтр - сепараторе ИСДФ-3. Жидкость осаждается в нижней части сепаратора ИСДФ-3 и попадает в мерник. Объем отсепарированной жидкости определяют при помощи шкалы, нанесенной на прозрачном мернике.

Метод определения привеса заключается в пропускании двухфазной среды через фильтр патроны, на которых происходит фильтрация и осаждение капельной жидкости. Фильтрующий патрон после пропускания вынимается и взвешивается на весах с точностью до четвертого знака после запятой. По привесу фильтр-патрона и объему пропущенного газа определяется массовое содержание жидкости в газовом потоке. Метод определения привеса может быть использован при небольших содержаниях жидкости в газовом потоке - до 0,2 г/м3.

Метод определения привеса применим на выходных линиях сепараторов. Измерение по входу осуществляется при помощи объемного метода, так как во входной подводящей линии к сепаратору содержание жидкости в газовом потоке, как правило, имеет высокое значение. Объемный метод также нужно использовать при измерении массовой концентрации жидкости в отсепарированном газе на выходных линиях сепараторов при приемке оборудования, так как последний метод дает более точные значения содержания жидкости в газе, хотя и требует значительного времени измерения (более 2-6 часов). Сепаратор ИСДФ-3 (реализующий объемный метод измерения) представляет собой цилиндрический корпус с тангенциальным входом для предварительного отделения жидкой фазы и фильтр патрон, где происходит отделение следовых количеств жидкой фазы. Фильтр патрон имеет несколько слоев (в том числе и дренирующий слой) нетканого материала с размером пор порядка 2-8 мкм. Линейная скорость газа на фильтре составляет 50 см/с, этим достигается очистка газа от жидкости до уровня 0,1-0,5 мг/м3. Измерения отделившейся

жидкости производится в одном из мерников объемом от 10см3, 50 см , 100 см .

Вышеуказанные методы могут быть использованы с применением устройства перемещения пробоотборного зонда с лубрикатором (далее УППЗ).

Организованной в рамках научной исследовательской работы поездки на Яро-Яхинское месторождение ОАО «АРКТИКГАЗ» проведен ряд экспериментов с применением УППЗ для измерения массовой концентрации капельной жидкости по сечению трубопровода.

В соответствии с общим правилом [8] при его применении для трубопроводов круглого сечения плоскость отбора проб делят на равные области. Точки отбора проб, по одной в центре каждой области, должны быть расположены на двух или более диаметрах (линиях отбора проб), и одна точка должна быть расположена в центре трубопровода (см. рис. 3). Так как замеры могут проводиться на различных точках трубопровода, где диаметры могут быть разными, расположение точек отбора проб зависит от числа выбранных точек. Для трубопроводов достаточно двух линий отбора проб (диаметров). При этом расстояние х от стенки трубопровода до каждой i точки отбора проб может быть вычислено по формуле:

х; = КО/100,

где К; - коэффициент в соответствии с таблицей 1, %; Б - диаметр трубопровода, м.

В таблице 1 приведены значения коэффициентов К;,%, для круглых трубопроводов.

X

I

Рис. 3 - Размещение точек отбора проб в трубопроводах

Таблица 1 - Значение коэффициента в зависимости от количества точек

Количество измерений К1

1 2 3 4 5 6 7

2 0,0669 0,25

3 0,0435 0,1464 0,2958

4 0,0322 0,1047 0,1938 0,3232

5 0,0256 0,0819 0,1464 0,2261 0,34189

6 0,0212 0,0669 0,1181 0,1772 0,25 0,3556

На Яро-Яхинском месторождении проведены 5 измерений массовой концентрации капельной жидкости по сечению газопровода, внутренним диаметром 297мм, с отклонением от изокинетического отбора.

Результаты проведенных измерений

представлены на рис. 4.

График отклонения

♦

1( .5 1 3 15 .5 1 3 2С г5 2 3 2! г5 S 3( ,5

С

ф Ошибка измерения при отклонение от изокинетичности в %

Рис. 4 - Результаты измерений на Яро-Яхинском месторождении

На графике по оси абсцисс отложен расход отбираемого газа, по оси ординат отклонения содержания капельной жидкости относительно изокинетического режима в %. В пересечении осей находится фактический расход отбираемого газа соответствующий изокинетическому отбору значение которого соответствует расходу 27,8 ст. м3/ч. Из полученных данных можно заключить следующее, что исследования необходимо

повторить и дополнить их с отбором проб газа по всему сечению трубопровода не менее 5-6 точек выше и ниже значения от изокинетичности. Данные эксперименты будут являться исходными данными для верификации математической модели при дальнейших исследованиях проводимых уже путем численного моделирования.

Литература

1. Сугак Е.В. Очистка газовых выбросов в аппаратах с интенсивными гидродинамическими режимами / Е.В. Сугак, Н.А. Войнов, Н.А. Николаев. - Казань: РИЦ «Школа», 1999.

2. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов от пыли / В.Н. Ужов и др. - М.: Химия, 1981.

3. Ужов В.Н. Подготовка промышленных газов к очистке / В.Н. Ужов, А.Ю. Вальдберг. - М.: Химия, 1975.

4. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. - М.: Энергия, 1980.

5. Хьюитт Дж., Холл-Тэйлор Н. Кольцевые двухфазные течения. М.: Энергия. 1974. 405 с.

6. Ахлямов, М.Н.; Байгузин, Ф.А.; Шигапов, И.М.; Хайруллин, Г.М., Методика и устройство измерения уноса капельной жидкости на установках подготовки газа. УДК 665.62 // Газовая промышленность. - 2009. -№04. - С. 79-81

7. С. В. Юшко, М. Н. Ахлямов, Р. Р. Нигматов., Основные требования к формам наконечников измерителей содержания дисперсной фазы в газовом потоке. УДК 53.08 // Газовая промышленность. - 2013. -№2. - С. 29-32.

8. ГОСТ Р ИСО 9096- 2006. Определение массовой концентрации твердых частиц ручным гравиметрическим методом.

9. Юшко С.В. «Газодинамический стенд для изучения воздушных потоков в трубах», Вестник Казанского технологического университета, 2013, Т.16, №21. С.125.

© С. В. Юшко - д-р техн. наук, зав. каф. «Инженерная компьютерная графика и автоматизированное проектирование» КНИТУ, s.v.yushko@gmail.com; Р. Р. Сираев - аспирант каф. «Инженерная компьютерная графика и автоматизированное проектирование» КНИТУ, siraev.rom@gmail.com; М. Н. Ахлямов - к.т.н, Заместитель директора по развитию ООО «ПЛКГРУП», ma@plcgroup.ru.

© S. V. Jushko - Dr. Sci. (Tech.), Head of the Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, Kazan National Research Technological University, s.v.yushko@gmail.com; R. R. Siraev - Postgraduate, Department of Engineering and Computer Graphics, siraev.rom@gmail.com; M. N. Ahlyamov - k.t.s., LLC "PLKGRUP," Deputy Director of Development, ma@plcgroup.ru.