УСТАНОВКА ДЛЯ ОТБЕНЗИНИВАНИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
ASSOCIATED PETROLEUM GAS TOPPING PLANT

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к устройствам для разделения газов с использованием холода и может быть использовано на нефтяных месторождениях для создания мобильных модульных комплексов для разделения попутного нефтяного газа (ПНГ) на газовый конденсат, который может быть компаундирован с минеральной нефтью, и на сухой газ, который может быть транспортирован в магистральный газопровод, либо полезно использован для собственных нужд, либо сожжен на факельной установке.
Из технического уровня известны множество технических решений с применением холодильных установок различного принципа действия с различным количеством ступеней охлаждения для промышленного разделения газов. Например, установка для переработки попутного нефтяного газа низкого давления [патент RU 118408, 20.07.2012] решает проблему переработки ПНГ низкого давления на месторождениях. Установка для переработки попутного нефтяного газа низкого давления преимущественно от 0,02 МПа, содержит устройство эжекции газа в жидкость, напорный насос, сепаратор «газ-жидкость», устройство абсорбционной сероочистки, теплообменник «жидкость-жидкость», теплообменник «газ-жидкость», теплообменник «газ-газ», устройство регенерации и подачи ингибитора гидратообразования, генераторов холода: воду, атмосферный воздух, вихревую трубу и холодильную машину, разделитель «газ-углеводородный конденсат-жидкость», сепаратор «углеводородный конденсат-газ», емкость сбора углеводородного конденсата. К недостаткам данного технического решения относится применение двух ступеней охлаждения: вихревая труба и холодильная установка, применяемые в совокупности, имеют низкую эффективность по сравнению с холодильными установками на смесевом хладагенте. Данная установка не позволит добиться высокой степени и точности извлечения газового конденсата.
Также из технического уровня известна система и способ разделения алкановых газов для применения на объектах переработки природного газа и для полезного использования газа, сжигаемого на факелах (Systems and methods for separating alkane gases with applications to raw natural Gas processing and flare gas capture) [публикация WO 2014204817, 24.12.2014]. В данном источнике описывается решение проблемы разделения природного газа на три потока: поток метана (содержащий не менее 70% метана); поток, обогащенный этаном; и поток сжиженных углеводородных газов. Для этого используется мобильный комплекс переработки реализованный на одной шасси фуры, включающий блок компримирования, двухкаскадную холодильную машину, работающую на углеводородном хладагенте, содержащую компрессор для входного потока газа, аппарат воздушного охлаждения, дроссель, ректификационную колонну, теплообменный аппарат, сепараторы, систему ввода ингибитора и/или адсорберы, обеспечивающие предотвращение гидратообразования.
Описываемое техническое решение предполагает производительность по сырьевому газу до 5663 нм3/сут. и предназначено для выделения из природного газа широкой фракции легкокипящих углеводородов (ШФЛУ) с давлением насыщенных паров (ДНП) при температуре 38°С до 17 бар. Полученная ШФЛУ загружается в транспортные емкости и вывозится для продажи или дальнейшей переработки. Данное техническое решение является прототипом заявляемого изобретения.
Однако, система и способ согласно по прототипу имеют также существенные недостатки: применение двухкаскадной холодильной машины для охлаждения основного потока до температур от минус 80°С до минус 40°С снижает надежность холодильной установки, увеличивает ее массогабаритные характеристики и стоимость; применение блока компримирования для сжатия сырьевого потока до давления от 6 до 35 бар, делает холодильную установку более сложной и также увеличивает ее массогабаритные характеристики и стоимость. Исходя из описания и иллюстраций прототипа, для сжатия применяется двухступенчатый безмасляный компрессор. Такие компрессоры либо обладают коротким (раз в несколько месяцев) межремонтным интервалом (в случае, если это компрессоры объемного действия), либо очень дороги и сложны в управлении (в случае, если это центробежные компрессоры на магнитных опорах). Также в качестве недостатка можно отметить применение адсорбционной осушки. В данной системе требуется осушка до температуры точки росы минус 80°С. Но адсорбционная осушка удобна для применения при небольших расходах сырьевого газа, что значительно сужает область применения. При более значительных расходах сырьевого газа размеры адсорберов увеличиваются. При этом, адсорбенты, применяемые в подобных системах осушки, имеют ограниченный срок службы (около года). Таким образом, применение адсорбционной осушки не только значительно увеличивает массогабаритные характеристики, но и увеличивает эксплуатационные затраты, связанные с необходимостью регулярной замены адсорбента.
Рассмотренные недостатки предшествующего уровня техники решаются предлагаемой установкой для отбензинивания попутного нефтяного газа.
Техническим результатом изобретения является снижение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции, снижение энергопотребления, повышение термодинамической эффективности, расширение области применения и повышения точности получения целевых компонентов продукции.
Для достижения данного результата решается задача эффективного отбензинивания ПНГ и получения ликвидного продукта (газового конденсата), который может быть компаундирован с товарной нефтью (ДНП которого позволяет компаундировать его с товарной нефтью) с одновременной оптимизацией применяемого холодильного цикла и холодильной установки за счет применения одного контура охлаждения и использования в качестве рабочего вещества холодильной машины смесевого многокомпонентного хладагента.
В одном из вариантов реализации изобретения для достижения технического результата изобретения применяется установка для отбензинивания попутного нефтяного газа, которая включает в себя холодильную машину с компрессором, аппаратом воздушного охлаждения, дросселем, а также ректификационную колонну, теплообменный аппарат, сепараторы, систему предотвращения гидратообразования, при этом в составе установки реализовано последовательное соединение сепаратора для отделения жидкости от газа, системы предотвращения гидратообразования, витого четырехпоточного теплообменного аппарата, конденсатора-испарителя, трехфазного сепаратора, насоса, обеспечивающего повышение давления жидкостного потока перед ректификационной колонной, рекуперативного теплообменного аппарата, ректификационной колонны, а также установка включает параллельно подключенную смесевую однокоскадную холодильную машину, соединенную с конденсатором-испарителем и предназначенную для работы с использованием смеси углеводородов и/или хладонов в качестве рабочего вещества, кроме этого установка содержит систему автоматического регулирования режима работы в зависимости от давления насыщенных паров нефти на узле смешения продукционного потока с товарной нефтью, причем для работы четырехпоточного теплообменного аппарата используется холод сбросных потоков газа и конденсата из трехфазного сепаратора, рекуперативного теплообменного аппарата и ректификационной колонны.
В другом варианте реализации изобретения для достижения технического результата изобретения применяется установка для отбензинивания попутного нефтяного газа, которая включает в себя холодильную машину с компрессором, аппаратом воздушного охлаждения, дросселем, а также ректификационную колонну, теплообменный аппарат, сепараторы, систему предотвращения гидратообразования, при этом в составе установки реализовано последовательное соединение сепаратора для отделения жидкости от газа, системы предотвращения гидратообразования, витого четырехпоточного теплообменного аппарата, конденсатора-испарителя, рекуперативного теплообменного аппарата, ректификационной колонны, комбинированной с трехфазным сепаратором, а также установка включает параллельно подключенную смесевую однокаскадную холодильную машину, соединенную с конденсатором-испарителем и предназначенную для работы с использованием смеси углеводородов и/или хладонов в качестве рабочего вещества, кроме этого установка содержит систему автоматического регулирования режима работы в зависимости от давления насыщенных паров нефти на узле смешения продукционного потока с товарной нефтью, причем для работы четырехпоточного теплообменного аппарата используется холод сбросных потоков газа и конденсата рекуперативного теплообменного аппарата и комбинированной с трехфазным сепаратором ректификационной колонны.
В частном случае реализации установки система предотвращения гидратообразования может быть выполнена в виде регулируемого устройства подачи метанола в поток попутного нефтяного газа, либо в виде системы адсорбционной осушки газа.
В частном случае реализации установки ее компоненты могут быть выполнены в виде отдельных модулей с массо-габаритными параметрами, обеспечивающими возможность их транспортировки грузовым транспортом, как габаритного груза, и выполненных с возможностью реализации технологии отбензинивания попутного нефтяного газа при их соединении между собой и подключении к площадным нефте-газопромысловым объектам месторождений.
Далее описана работа установки.
Поток ПНГ поступает во входной сепаратор, где отделяется капельная жидкость, а газ поступает на охлаждение в многопоточный теплообменный аппарат за счет использования холода сбросного потока газа и конденсата. Затем сырьевой поток ПНГ поступает в конденсатор-испаритель на переохлаждение, осуществляемое за счет холода холодильной машины.
В одном варианте реализации изобретения после переохлаждения происходит разделение ПНГ в трехфазном сепараторе, где поток ПНГ разделяется на газообразный сбросной поток и поток сжиженных углеводородов, который направляется на дальнейшее разделение. После трехфазного сепаратора давление потока сжиженных углеводородов повышается с помощью насоса, поток подогревается в рекуперативном теплообменнике и направляется в ректификационную колонну, где происходит конечное разделение.
В другом варианте реализации изобретения поток подогревается в рекуперативном теплообменнике, направляется на разделение в комбинированную с трехфазным сепаратором ректификационную колонну.
В обоих вариантах реализации изобретения жидкость из куба ректификационной колонны является продукционным потоком, который направляется на компаундирование с товарной нефтью через узел смешения.
Система предотвращения гидратообразования позволяет избежать гидратообразования при охлаждении ПНГ.
Снижение энергоемкости и массо-габаритных характеристик установки достигается за счет применения многопоточного теплообменного аппарата и однокаскадной смесевой холодильной машины и, во втором варианте реализации установки, дополнительно, - за счет использования комбинированной ректификационной колонны, объединенной с трехфазным сепаратором.
Повышение термодинамической эффективности достигается за счет использования могопоточного теплообменного аппарата, а использование смесевого многокомпонентного хладагента увеличивает холодопроизводительность однокаскадной холодильной машины.
Точность получения целевых компонентов продукции достигается за счет использования автоматической системы регулирования режимов работы установки в зависимости от давления насыщенных паров товарной нефти.
Область применения установки ограничивается автоматической системой регулирования режима работы установки, но, при этом позволяет изменять параметры продукционного и сбросных потоков газа, например, для получения как стабильного газового конденсата, так и для получения широких фракций легких углеводородов (ШФЛУ).
Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой одного из вариантов реализации установки для отбензинивания попутного нефтяного газа, изображенной на рисунке - Фиг. 1, со следующими обозначениями:
1 - сепаратор (входной отделитель жидкости);
2 - четырехпоточный теплообменный аппарат;
3 - конденсатор-испаритель;
4 - дроссель;
5 - трехфазный сепаратор;
6 - аппарат воздушного охлаждения;
7 - компрессор;
8 - насос;
9 - рекуперативный теплообменный аппарат;
10 - ректификационная колонна;
11 - регулирующий вентиль;
12 - рекуперативный теплообменный аппарат холодильной установки;
13 - система ввода ингибитора.
Устройство установки отбензинивания описано ниже.
Мобильный модульный комплекс по получению товарного ликвидного продукта из ПНГ включает в себя отделитель жидкости 1, который соединен с трубопроводом подачи ПНГ, а также с трубой отвода дренажной воды.
Отделитель жидкости 1, выполняющий функцию входного сепаратора, соединен с четырехпоточным теплообменным аппаратом 2. На участке трубопровода между отделителем жидкости 1 и четырехпоточным теплообменным аппаратом 2 установлена система ввода ингибитора гидратообразования (метанола) 13, представляющая собой устройство регулируемой подачи ингибитора в поток ПНГ, либо система адсорбционной осушки газа. Четырехпоточный теплообменный аппарат 2 соединен с конденсатором-испарителем 3 трубопроводом движения ПНГ. Трубопровод подачи газообразного смесевого хладагента соединяет конденсатор смесевой холодильной машины с входом рекуперативного теплообменного аппарата холодильной установки 12. Дроссель 4 соединяется с рекуперативным теплообменным аппаратом холодильной установки 12 трубопроводом высокого давления и с конденсатором-испарителем 3 через трубопровод низкого давления. Выход хладагента низкого давления из конденсатора-испарителя 3 соединен с входом в рекуперативный теплообменный аппарат холодильной установки 12. Выход потока низкого давления из рекуперативного теплообменного аппарата холодильной установки 12 соединен с входом всасывания компрессора 7. Выход потока ПНГ из конденсатора-испарителя 3 соединен с трехфазным отделителем 5. Трубопровод подачи сконденсировавшейся части потока ПНГ соединяет трехфазный сепаратор 5 и насос 8. Трехфазный сепаратор 5 также соединен с трубопроводом отвода воды и трубопроводом отбросного газа четырехпоточного теплообменного аппарата 2. Выход насоса 8 соединен с входом подачи конденсата ПНГ в рекуперативный теплообменный аппарат 9. Выход конденсата ПНГ из рекуперативного теплообменного аппарата 9 соединен с ректификационной колонной 10. Трубопровод отбросного газа соединен с верхней частью ректификационной колонны 10 и входом в четырехпоточный теплообменный аппарат 2. Выходы отбросного газа из четырехпоточного теплообменного аппарата 2 соединены трубопроводом с факелом утилизации. Трубопровод продукционного потока соединяет испаритель ректификационной колонны 10 и вход в рекуперативный теплообменный аппарат 9. Выход продукционного потока из рекуперативного теплообменного аппарата 9 соединен с четырехпоточным теплообменным аппаратом 2. Выход продукционного потока из теплообменного аппарата 2 соединен с регулирующим вентилем 11. Трубопровод от регулирующего вентиля 11 ведет к трубе товарной нефти. Смешение объема продукционного потока с товарной нефтью осуществляется под управлением автоматической системой регулирования режима работы установки для отбензинивания на узле смешения в зависимости от давления насыщенных паров товарной нефти.
Установка для отбензинивания попутного нефтяного газа работает следующим образом:
Сырьевой поток ПНГ с давлением около 4 бар попадает сначала в сепаратор (отделитель жидкости) 1, предназначенный для отделения жидкой воды от сырьевого потока, который соединен с помощью трубопроводов с дренажной системой и четырехпоточным рекуперативным теплообменным аппаратом 2. При наличии в составе установки системы предотвращения гидратообразования в виде системы ввода ингибитора гидратообразования 13, перед теплообменным аппаратом 2 в поток ПНГ впрыскивается ингибитор гидратообразования (метанол). При наличии в составе установки, вместо системы ввода ингибитора 13, системы адсорбционной осушки газа (на рисунке не показано) сырьевой поток после отделителя жидкости 1 поступает в адсорбционные аппараты, где по средствам адсорбента из потока газа извлекаются пары воды, и поток становится осушенным. После чего поток газа охлаждается в теплообменном аппарате 2 до температуры минус 30°С за счет холода, отбираемого от сбросных потоков.
После этого ПНГ попадает в конденсатор-испаритель 3 где переохлаждается за счет кипения смесевого хладагента до температуры минус 57°С. Выход потока ПНГ из конденсатора-испарителя 3 соединен с трехфазным сепаратором 5, осуществляющим сепарацию. Поток воды из данного трехфазного сепаратора 5 поступает в дренажную систему, газообразный холодный поток направляется в четырехпоточный теплообменный аппарат 2, а поток сжиженных углеводородных газов поступает в насос 8, где его давление повышается до 16 бар. После насоса 8 поток подогревается в рекуперативном теплообменном аппарате 9 за счет тепла продукционного потока, и направляется в ректификационную колонну 10, где происходит конечное разделение при тепломассообменном процессе за счет разницы температур по высоте колонны. К испарителю ректификационной колонны 10 тепло подводится из стороннего источника. Продукционный поток (конденсат) выводится из испарителя ректификационной колонны 10 в подогретом состоянии, проходит через рекуперативный теплообменный аппарат 9, где охлаждается до температуры около минус 50°С и при этом подогревает поток сжиженных углеводородных газов идущий от насоса 8 в колонну 10, после чего проходит через четырехпоточный теплообменный аппарат 2, где подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды и направляется, проходя через регулирующий вентиль 11, на компаундирование с товарной нефтью. При компаундировании с товарной нефтью за счет системы автоматического регулирования режима работы установки (на рисунке не показано) обеспечивается условие, что поток товарной нефти после компаундирования должен иметь ДНП не выше 66,7 КПа при температуре 37,8°С.
Газообразные холодные потоки из трехфазного сепаратора 5 и верхней части ректификационной колонны 10 - потоки сухого отбензиненного газа, направляются в четырехпоточный теплообменный аппарат 2, где подогреваются до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Холод данных потоков используется для охлаждения сырьевого потока ПНГ. После четырехпоточного теплообменного аппарата 2 сбросные потоки могут быть направлены на факел для сжигания, либо полезно использованы (например, направлены в магистральный газопровод, либо использованы для генерации электроэнергии для собственных нужд).
Смесевой хладагент, циркулирующий в холодильной машине, состоит из углеводородов, например, компонентами смеси могут быть этилен, пропан, бутан, пентан и другие газообразные углеводороды. Смесевой хладагент сжимается в компрессоре 7, тепло сжатия сбрасывается в окружающую среду в аппарате воздушного охлаждения 6, после которого смесевой хладагент частично конденсируется. После аппарата воздушного охлаждения 6 прямой поток смесевого хладагента направляется в рекуперативный теплообменный аппарат холодильной установки 12, где охлаждается за счет обратного потока смесевого хладагента и полностью конденсируется. Жидкий смесевой хладагент расширяется в дросселе 4, после чего его температура падает до температуры минус 62°С. После дросселя 4 двухфазный смесевой хладагент поступает в конденсатор-испаритель 3, в котором он кипит при переменной температуре и охлаждает поток ПНГ. После конденсатора-испарителя 3 обратный поток смесевого хладагента сначала проходит через теплообменный аппарат 12, где нагревается, после чего поступает на вход всасывания компрессора 7, на чем цикл холодильной машины замыкается.
Охлаждение как потока ПНГ, так и конденсатора колонны обеспечивается за счет одной холодильной машины. Таким образом, обеспечивается улучшение массогабаритных параметров оборудования, простота и надежность. Наличие одной холодильной машины также снижает стоимость установки по сравнению с известными аналогами, использующими каскадную схему охлаждения.
Сепарация производится за счет охлаждения. Для обеспечения более эффективного процесса разделения в ректификационной колонне, уменьшения энергозатрат на подогрев испарителя и охлаждение конденсатора данной колонны давление в колонне повышено до 16 бар за счет применения насоса. Таким образом, сжатие не всего потока ПНГ на входе в установку, а использование насоса для повышения давления только жидкости, поступающей в ректификационную колонну, позволяет значительно упростить установку для отбензинивания попутного нефтяного газа.
Промышленное воспроизведение установки для отбензинивания попутного нефтяного газа осуществляется путем сбора из типовых машин и аппаратов, с применением типовых технологических трубопроводов, устойчивых к воздействию хладагентов и ПНГ. Количество машин и аппаратов в составе установки для отбензинивания попутного нефтяного газа размещенных в объеме габаритных транспортных контейнеров позволяет осуществлять сборку установки для отбензинивания попутного нефтяного газа непосредственно на месте последующей эксплуатации. Применение в составе установки ректификационной колонны с совмещенным трехфазным сепаратором улучшает массо-габаритные характеристики, в том числе обеспечивая компактное исполнение и перемещение установки в собранном виде и готовой к эксплуатации.
Применение изобретения на объектах добычи нефти позволит снизить затраты на выплату штрафов за выбросы вредных веществ в атмосферу, получить дополнительный доход от увеличения количества товарной нефти, и в целом повысить уровень полезного использования ПНГ.