БЛОК СЕПАРАЦИИ ГАЗА
GAS SEPARATION UNIT

Изобретение относится к технике тепловой обработки и сепарации газовых и газоконденсатных смесей от влаги и тяжелых углеводородов и может найти применение в установках комплексной подготовки природного газа на газовых промыслах.
Известен монтажно-транспортный комплекс газосепаратора промежуточного установки комплексной подготовки газа, сблокированного с опорной платформой, в котором газосепаратор выполнен в виде цилиндрического сосуда высокого давления, снабжен штуцером ввода рабочего тела - сырого газа или газожидкостной смеси, штуцером для выхода осушенного газа в верхней части корпуса и штуцером для отвода отсепарированной жидкой смеси в нижней его части и наделен распределительным устройством с антизавихрителем, сетчатым агломератором, блоком циклонов и кубовым объемом для сбора отсепарированной жидкой смеси. Газосепаратор трансформируемо сблокирован с опорной платформой с возможностью горизонтального и/или параллельного основанию платформы размещения на ней газосепаратора в транспортном положении и последующего перевода и фиксации его в рабочем положении под углом к указанной платформе, преимущественно вертикально. Блок циклонов смонтирован на опорной конструкции и состоит из блок-секций, в которые вмонтированы от одного до восьми трубчатых циклонов с круглоцилиндрическими стенками и внутренним прямоточным полым стволом, открытым для движения сепарируемого рабочего тела. Ствол циклона выполнен с переменным внутренним проходным сечением и содержит три последовательных участка по ходу движения рабочего тела - конфузор, завихритель и диффузор, а также снабжен совмещенным с завихрителем полым сердечником, сообщенным каналом с рециркуляционным устройством и неподвижными спиральными лопастями (Патент РФ №2460023, опубл. 27.08.2012).
Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности является комплекс блоков промежуточной сепарации газовых или газожидкостных смесей, включающий газосепаратор промежуточный, блок пластинчатых теплообменников и арматурные узлы. Газосепаратор выполнен сблокированным с монтажно-транспортной опорной платформой с возможностью горизонтального и/или параллельного к ней размещения в транспортном положении и последующего перевода и фиксации в вертикальном рабочем положении. Блок теплообменников и разнесенные по обе стороны от него арматурные узлы размещены каждый на автономной монтажно-транспортной опорной конструкции. Опорные конструкции объединены в одну эксплуатационную платформу, которая по обе стороны от арматурных узлов дополнена соосными в плане с проекциями осей теплообменников металлоконструкциями с образованием контурного и промежуточного силового каркаса эксплуатационной платформы. Опорная платформа газосепаратора установлена на условной нулевой отметке объекта. Эксплуатационная платформа установлена с превышением над опорной платформой газосепаратора с соблюдением условия, при котором ось трубопровода, подводящего сырой газ от теплообменников к газосепаратору, пересекает плоскость стыковки с его входным штуцером на высоте не ниже оси последнего и ориентирована с нисходящим уклоном к нему (Патент РФ №2451248 (заявка №2011110589/06), опубл. 20.05.2012 - прототип).
Общим недостатком известных устройств является невысокая эффективность очистки сырого природного газа от воды, примесей и газового конденсата. Кроме того, конструкция известных блоков промежуточной сепарации вызывает сложность транспортировки по железной дороге от места изготовления к месту эксплуатации, возникающая из-за необходимости демонтажа устройства на мелкие части и перевозки отдельно платформ и элементов блока сепараторов.
В предложенном изобретении решается задача повышения степени очистки сырого природного газа и упрощения транспортировки блока сепарации газа по железной дороге.
Задача решается тем, что в блоке сепарации газа, включающем газосепаратор, теплообменник, арматурные узлы и силовой каркас, согласно изобретению в качестве теплообменника использован кожухотрубный теплообменник, установленный на двух опорах, одна из которых скользящая, в качестве газосепаратора использован вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор, в качестве арматурных узлов использованы трубопроводы, запорная и регулирующая арматура и узлы присоединения контрольно-измерительных приборов, силовой каркас выполнен в виде рамы с отсоединяемой верхней частью и нижней частью высотой порядка 3 м, трубопроводы выполнены разборными с размерами в разобранном состоянии порядка 3 м, блок дополнительно снабжен 3S-сепараторами, установленными параллельно на наибольшей высоте размещения элементов блока, фильтром-распределителем, установленном на трубопроводе сырого газа, по ходу газа входной фланец трубопровода сырого газа, фильтр-распределитель, прямой коллектор кожухотрубного теплообменника, 3S-сепараторы, вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор, обратный коллектор кожухотрубного теплообменника и выходной фланец осушенного газа размещены последовательно друг за другом и соединены трубопроводами, при этом трубопровод осушенного газа из 3S-сепараторов и трубопровод осушенного газа из вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора соединены до входа в обратный коллектор кожухотрубного теплообменника, трубопровод двухфазного потока из 3S-сепараторов размещен не ниже входного штуцера вертикального цилиндрического сетчатого сепаратора, выходной фланец осушенного газа и входной фланец трубопровода сырого газа расположены на одном уровне вблизи друг от друга.
Сущность изобретения
Предложенный блок сепарации газа (БСГ) предназначен для дополнительной осушки газа на установке комплексной подготовки газа на газовом промысле, в которой низкотемпературная сепарация проводится с использованием дроссельного клапана. Заявленный БСГ устанавливается на установке комплексной подготовки газа вместо дроссельного клапана.
Известные устройства обладают невысокой эффективностью очистки сырого природного газа от воды, примесей и газового конденсата. Кроме того, конструкция известных блоков промежуточной сепарации вызывает сложность транспортировки по железной дороге от места изготовления к месту эксплуатации, возникающая из-за необходимости демонтажа устройства на мелкие части и перевозки отдельно платформ и элементов блока сепараторов. В предложенном изобретении решается задача повышения степени очистки сырого природного газа и упрощения транспортировки блока сепарации газа по железной дороге. Задача решается БСГ, представленном на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлен общий вид БСГ.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - входной фланец трубопровода сырого газа, 2 - фильтр-распределитель, 3 - кожухотрубный теплообменник, 4-3S-сепараторы, 5 - вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор, 6 - трубопровод двухфазного потока из 3S-сепараторов к вертикальному цилиндрическому сетчатому газосепаратору, 7 - трубопровод осушенного газа из 3S-сепараторов к обратному коллектору кожухотрубного теплообменника, 8 - трубопровод очищенного и осушенного газа из вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора к обратному коллектору кожухотрубного теплообменника, 9 - входной фланец вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора, 10 - запорная арматура, 11 - регулирующая арматура, 12 - патрубок, 13 - трубопровод, 14 - выходной фланец осушенного газа, 15 - фундамент, 16 - рама, 17 - высота отсоединения верхней и нижней частей рамы.
На фиг. 2 представлен фильтр-распределитель.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 18 - корпус, 19 - фланцы, 20 - сопла, 21 - трубопроводы.
На фиг. 3 представлен вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения: 9 - входной фланец вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора, 22 - корпус, 23 - опора цилиндрическая, 24 - сетчатый отбойник, 25 - лист защитный, 26 - узел входа, 27 - обечайка, 28 - штуцер входа газа, 29 - штуцер выхода конденсата, 30 - штуцер для уровнемеров, 31 - штуцеры для отбора давления, 32 - штуцер для дренажа, 33 - штуцеры для дифмонометра, 34 - штуцер для монометра, 35 - штуцер для термометра, 36 - штуцер для термопреобразователя сопротивления, 37 - штуцеры указателей уровня, 38 - люк.
На фиг. 4 представлен кожухотрубный теплообменник.
На фиг. 4 приняты следующие обозначения: 39 - корпус, 40 - неподвижная опора, 41 - скользящая опора, 42 - прямой коллектор, 43 - межтрубное пространство - обратный коллектор, 44 - штуцер прямого коллектора, 45 - штуцер обратного коллектора.
3
БСГ изготавливается из стали СТ09Г2С. Производительность установки 115 тысяч м/час при давлении на входе 7,5 МПа. Параметры установки: давление рабочее на входе 7,5 МПа, на выходе 5,5 МПа. Давление расчетное 10 МПа. Среда: газ природный неосушенный.
Фильтр-распределитель 2 устанавливается на межфланцевой проставке. Предназначен для распределения общего потока газа на несколько меньших потоков, ввода в мелкие потоки химических веществ. Распределенный на несколько потоков общий поток газа поступает в кожухотрубный теплообменник в прямой коллектор в виде турбулентного потока, способствующего большему контакту газа со стенками коллектора и более полному охлаждению сырого газа.
Кожухотрубный теплообменник 3 представляет собой теплообменный аппарат, по трубному пространству - прямому коллектору - которого проходит сырой природный газ, а в межтрубном пространстве - обратном коллекторе в качестве охладителя проходит очищенный и охлажденный газ после 3S-сепараторов и вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора. Температура газа на входе в теплообменник 18-20°С, температура газа на входе в межтрубное пространство 10-12°С, давление газа на входе в теплообменник 7,5 МПа, потери давления на трубках - не более 0,05 МПа, потери давления в межтрубном пространстве - не более 0,05 МПа. Выходной фланец 14 располагается на расстоянии 1-2 м по горизонтали от входного фланца 1. Теплообменник установлен на опорах, содержащих подвижные и неподвижные опоры для компенсации температурного расширения при работе теплообменника.
Блок 3S-сепараторов содержит два 3S-сепаратора 4.
3S (Super Sonic Separator) сепаратор - низкотемпературный сверхзвуковой сепаратор. Принцип работы 3S-сепаратора базируется на охлаждении природного газа в сверхзвуковом закрученном потоке. Сверхзвуковой поток реализуется с помощью конфузорно-диффузорного сопла Лаваля. В таком сопле газ разгоняется до скоростей, больших скорости распространения звука в газе. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию происходит сильное охлаждение газа. Работа 3S-сепаратора происходит следующим образом. Входной поток закручивается в форкамере и подается в сопло, где падает его давление и температура и резко возрастает скорость. В результате сильного охлаждения образуются капли жидкости, далее эти капли нарастают за счет коагуляции (этому процессу способствует турбулизация потока, вызванная его вращением). Рост капель продолжается в рабочей секции, в которой образуется газожидкостный пограничный слой, обогащенный жидкими компонентами, а центральный поток оказывается очищенным от целевых компонентов. Затем потоки проходят через диффузоры, где их скорость гасится, а давление повышается. Применение диффузоров на выходе из рабочей части 3S-сепаратора позволяет преобразовать часть кинетической энергии потока в потенциальную, что обеспечивает получение более высокого давления газа на выходе из диффузоров, чем статическое давление газа в сверхзвуковом сопле. Таким образом, на вход 3S-сепаратора подается газовый поток (он может содержать до 20% жидкости), а из 3S-сепаратора выходит два потока: один - поток подготовленного товарного газа, а второй - газожидкостный поток, обогащенный жидкими компонентами.
В качестве сепаратора II-ой ступени используется вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор 5, предназначенный для окончательной очистки газа от жидкости в виде воды и газового конденсата. Вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор 5 имеет следующие характеристики:
3
3
3
3
температура рабочей среды от минус 30 до плюс 100°С, содержание жидкости в газе - до 200 см/м, унос жидкости из газосепаратора не более 20 см/1000 м газа. Сепаратор вертикальный цилиндрический с корпусным фланцевым разъемом диаметром порядка 600-800 мм на условное давление от 1,6 до 8,8 МПа.
БСГ работает следующим образом.
Сырой газ из магистрального трубопровода через входной фланец трубопровода сырого газа 1 и фильтр-распределитель 2 поступает в прямой коллектор кожухотрубного теплообменника 3, охлаждается и проходит по трубопроводу 13 через запорную арматуру 10 и регулирующую арматуру 11, например, в виде запорных 10 и регулирующих 11 кранов, в 3S-сепараторы 4, где происходит отделение от газа основного объема воды, сопровождающееся снижением температуры газа. В 3S-сепараторах 4 происходит отделение воды, конденсата и примесей, которые вместе с частью газа двухфазным потоком опускаются ниже 3S-сепараторов 4 в трубопровод двухфазного потока из 3S-сепараторов 6 и поступают через входной фланец 9 в вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор 5, где происходит окончательное разделение двухфазного потока из газа и жидкостей на газ, воду и конденсат с небольшим количеством механических примесей. Воду и конденсат сливают в соответствующие системы сбора через штуцера (не показаны) вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора 5, по мере накопления примеси удаляют.
Осушенный и очищенный газ из вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора 5 по трубопроводу очищенного и осушенного газа из вертикального цилиндрического сетчатого газосепаратора 8 и осушенный газ после 3S-сепараторов 4 по трубопроводу осушенного газа из 3S-сепараторов 7 соединяют в один трубопровод и направляют к обратному коллектору кожухотрубного теплообменника 3 для охлаждения сырого газа. После прохождения обратного коллектора кожухотрубного теплообменника 3 газ через выходной фланец осушенного газа 14 уходит в магистральный трубопровод (не показан).
Размещение 3S-сепараторов 4 в наивысшей точке блока позволяет сливать вниз двухфазный поток из газа и жидкостей из 3S-сепараторов 4, а размещение трубопровода двухфазного потока 6 из 3S-сепараторов 4 не ниже входного фланца 9 вертикального цилиндрического сетчатого сепаратора 5 позволяет самотеком направлять жидкую часть двухфазного потока из 3S-сепараторов 4 в вертикальный цилиндрический сетчатый газосепаратор 5.
Расположение выходного фланца осушенного газа 14 и входного фланца трубопровода сырого газа 1 на одном уровне вблизи друг от друга позволяет минимально снизить разрыв в магистральном трубопроводе и минимизировать потери напора газа.
Фундамент 15 и рама 16 обеспечивают жесткость и взаимное расположение элементов БСГ.
С учетом необходимости сборки и разборки и перевозки БСГ по железной дороге от места изготовления до места эксплуатации и для обеспечения наибольшей надежности БСГ выполнен с минимальным количеством соединяемых деталей, что нашло отражение в максимальной длине используемых трубопроводов, но не более 3 м в соответствии с возможностями размещения на железнодорожных платформах. Максимальная высота расположения трубопроводов выполнена до 3 м. Высота отсоединения верхней и нижней частей рамы 3 м также обусловлена необходимостью перевозки на железнодорожных платформах.
В результате работы БСГ степень очистки сырого природного газа достигает 100%. Кроме того, упрощается транспортировка блока сепарации газа по железной дороге.
Применение предложенного БСГ позволит решить задачу повышения степени очистки сырого природного газа и упрощения транспортировки блока сепарации газа по железной дороге.