Трехфазный сепаратор

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, в частности к устройствам для подготовки нефти и разделения газожидкостной смеси на составляющие компоненты (ШФЛУ/нефть, газ, воду) при промысловой подготовке нефти и газа.
Известен трехфазный сепаратор, включающий горизонтальную камеру дегазации со штуцерами для ввода смеси и вывода газа и горизонтальную камеру обезвоживания с устройствами для ввода водонефтяной смеси и вывода обезвоженной нефти и воды (патент RU № 139401, опубл. 20.04.2014). Камера дегазации размещена над камерой обезвоживания, камеры соединены двумя стояками, один из которых соединяет нижние части камер, а второй соединяет верхние части камер. Стояки и камеры выполнены с фланцевыми разъемами, разделяющими их на приваренные к корпусам штуцера и соединяющие их съемные участки трубопроводов.
Недостатками устройства являются:
- во-первых, технологически сложная и трудоемкая в изготовлении конструкция;
- во-вторых, низкая интенсивность отделения газа от жидкой среды, так как основное отделение газа происходит только в первой камере, которая не может быть изготовлена достаточного объема, так как она устанавливается на камеру обезвоживания, что ограничивает ее массу;
- в-третьих, отвод нефти и воды не регулируемый, поэтому снижается эффективность разделения в сепараторе газожидкостной смеси на составляющие компоненты;
- в-четвертых, отсутствуют каплеотбойники, что повышает риск попадания жидкой фазы в трубопровод отвода газа.
Известен трубный делитель фаз, содержащий корпус со штуцерами ввода эмульсии (газожидкостной смеси) и вывода отделившихся фаз, выполненный из труб в виде установленной вертикально рамы, а штуцера вывода отделившихся легкой и тяжелой фаз расположены на верхнем и нижнем горизонтальных трубных участках корпуса делителя фаз, соответственно (патент RU № 19771, опубл. 10.10.2001). Корпус с трубной горизонтальной перемычкой, соединяющей внутреннее пространство вертикальных участков корпуса, включает штуцер ввода эмульсии в делитель расположенный по центру горизонтальной перемычки. Недостатками устройства являются низкое качество разделения нефтяной эмульсии, вызванное ограниченным рабочим объемом рамы корпуса, ограниченными технологическими возможностями использования. Данное устройство производит только разделение газожидкостной смеси на нефть и воду, при этом, не отделяя растворенный газ. Также к недостаткам можно отнести то, что данное устройство не имеет средств автоматического контроля и регулирования процесса.
Также известен трехфазный сепаратор, содержащий корпус, вертикальную разделительную переливную перегородку, установленную в корпусе с разделением последнего на входную и выходную секции, сообщенные между собой в верхней части корпуса, трубопровод ввода газожидкостной смеси, установленный во входной секции, штуцер вывода газообразной среды и штуцера вывода легкой и тяжелой фракций жидких сред, установленных в выходной и входной секциях соответственно, водосборники (патент РФ № 2153383, опубл. 27.07.2000). Сепаратор включает пакет фазоразделительных насадок в виде системы параллельно установленных перфорированных пластин и переливную перегородку, установленную в выходной секции с формированием зоны отвода более жидкой фракции между вертикальной разделительной перегородкой и зоны отвода более тяжелой жидкой фракции. При этом сепаратор снабжен сливным лотком и жалюзийным пакетом, причем входное сечение трубопровода ввода газожидкостной смеси расположено ниже верхней кромки вертикальной разделительной перегородки. Сливной лоток расположен своим верхним краем с верхней кромкой вертикальной разделительной перегородки и своим нижним краем - с пакетом фазоразделительных насадок со стороны входа в него. Благодаря большой площади и малой толщине сплошного жидкостного слоя на сливном лотке происходит интенсивное разделение на газообразную среду и жидкость. Жалюзийный пакет установлен в выходной секции между вертикальной разделительной перегородкой, а зона отвода более тяжелой фракции расположена между переливной перегородкой и жалюзийным пакетом.
Недостатками устройства являются:
- во-первых, большой объем жидкой среды выносится из сепаратора вместе с газообразной средой, что недопустимо и приводит к снижению эффективности разделения газожидкостной смеси;
- во-вторых, низкое качество разделения в сепараторе газожидкостной смеси на составляющие компоненты из-за не регулируемого отвода тяжелой и легкой фракций жидкой среды, что снижает эффективность процесса;
- в-третьих, технологические сложности и трудоемкость при изготовлении конструкции;
- в-четвертых, увеличение затрат времени на разделение газожидкостной смеси из-за создания завихрения поступающего потока, приводящего к перемешиванию легкой фракции с оседающей водой и образованию вторичной эмульсии.
Техническими задачами полезной модели являются повышение эффективности и качества процесса подготовки и разделения газожидкостной смеси на составляющие компоненты при упрощении изготовления конструкции и использования устройства, повышении качества контроля и регулирования технологического процесса.
Технические задачи решаются трехфазным сепаратором, содержащим корпус, вертикальную разделительную переливную перегородку, установленную в корпусе с разделением последнего на входную и выходную секции, сообщенные между собой в верхней части корпуса, трубопровод ввода газожидкостной смеси, установленный во входной секции, штуцер вывода газообразной среды и штуцера вывода легкой и тяжелой фракций жидких сред, установленных в выходной и входной секциях соответственно, водосборник.
Новым является то, что штуцер ввода газожидкостной смеси расположен в нижней торцевой части корпуса, с наружной стороны корпуса штуцер соединен с трубопроводом ввода газожидкостной смеси, выше штуцера ввода смеси в вертикальной плоскости дополнительно расположен штуцер ввода газа, соединенный с наружной стороны корпуса с одним концом трубопровода ввода газа, выполненным в вертикальной плоскости параллельно трубопроводу ввода газожидкостной смеси, а другим концом соединен с трубопроводом ввода газожидкостной смеси, при этом трубопроводы ввода газожидкостной смеси и газа соединены вертикальными трубными газоотводами, между штуцером ввода смеси и первой перемычкой на трубопроводе подачи смеси дополнительно установлен струевыпрямитель, внутри корпуса трубопроводы ввода газожидкостной смеси и газа размещены параллельно друг другу в вертикальной плоскости и выполнены на концах с горизонтальными отверстиями, размещенными в горизонтальной и вертикальной плоскости, между штуцером отвода газа, размещенного во входной секции, и трубопроводом ввода газа установлен сетчатый каплеотбойник, по высоте соответствующий 1/3 высоты сепаратора, жестко закрепленный к верхней поверхности сепаратора, вертикальная разделительная переливная перегородка установлена во второй половине корпуса между водосборниками штуцерами отвода (воды) тяжелой фракции, размещенными в нижней части корпуса во входной и выходной секциях, и обеспечивающая разделение длины корпуса как 2:1 соответственно, над водосборниками (тяжелой фракции) дополнительно установлены уровнемеры, размещенные в успокоительных трубах, штуцер вывода легкой фракции (ШФЛУ/нефти) выполнен Т-образной перфорированной формы с горизонтальными отверстиями, размещенными на горизонтальном участке, размещенном ниже верхнего уровня перемычки.
На фигуре схематично изображен трехфазный сепаратор.
Трехфазный сепаратор содержит корпус 1, вертикальную переливную разделительную перегородку 2, установленную в корпусе с разделением последнего на входную и выходную секции, сообщенные между собой в верхней части корпуса, трубопровод ввода газожидкостной смеси 3, установленный во входной секции, штуцера вывода газообразной 4 и жидкой сред - легкой фракции 5 и тяжелой фракции 6. Штуцера 5, 6 и 4 с наружной стороны снабжены соответствующими трубопроводами вывода легкой фракции, тяжелой фракции и газа. Штуцер ввода газожидкостной смеси расположен в нижней торцевой части корпуса. С наружной стороны корпуса 1 штуцер соединен с трубопроводом 3 ввода газожидкостной смеси, выше штуцера ввода смеси в вертикальной плоскости дополнительно расположен штуцер ввода газа, жестко соединенный с наружной стороны корпуса с одним концом трубопровода 7 ввода газа, выполненным параллельно трубопроводу 3 ввода газожидкостной смеси, а другим концом соединен с трубопроводом ввода газожидкостной смеси, образуя замкнутое пространство, при этом трубопровод 3 ввода газожидкостной смеси и трубопровод ввода газа соединены вертикальными трубными газоотводами 8, в количестве не менее трех, и установленных параллельно друг другу на расстоянии не менее 300 мм, обеспечивающими предварительный отбор газа из газожидкостной смеси. Количество и шаг подбирают индивидуально для каждой газожидкостной смеси в зависимости от ее физико-химических свойств и обеспечивающем разделение газожидкостной смеси на жидкость и свободный газ. Диаметр трубопровода 3 ввода больше диаметра трубных перемычек, диаметр составляет 200-300 мм. Газожидкостная смесь поступает под давлением, обеспечивающим свободное отделение газа, например 0,1-0,4 МПа. Между штуцером ввода смеси и первой перемычкой на трубопроводе 3 подачи смеси установлен струевыпрямитель 9, обеспечивающий поступление в сепаратор ламинарного, а не турбулентного потока, что способствует более эффективному разделению эмульсии, поступающей в корпус. Внутри корпуса 1 трубопровод 10 ввода газожидкостной смеси и трубопровод 11 ввода газа размещены параллельно друг другу в вертикальной плоскости и выполнены на концах с перфорированными участками - горизонтальными отверстиями, размещенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях. По трубопроводу 10 остаточный газ преимущественно выходит наружу через верхние отверстия, тяжелая фракция, которая успела отделиться в трубе 3 и струевыпрямителе будет выходить преимущественно через нижние отверстия. Через трубный выход будет поступать предварительно дегазированная эмульсия. По трубопроводу 11 газ будет выходить преимущественно через верхние отверстия и трубный выход, а через нижние отверстия отделившаяся жидкая фаза, которую увлек газ из газожидкостной смеси.
Перфорированный участок 10 изготавливают из стальной трубы, собирают с помощью фланцевых соединений, что упрощает работы по чистке внутренней полости трубопровода при плановых остановках. Так как для чистки трубопровод может легко разбираться механически без огневым методом.
Газожидкостная смесь подается выше слоя тяжелой фракции, преимущественно в промежуточный слой в первой части аппарата, газ подается в верхнюю часть в слой газа. Между штуцером 4 отвода газа, размещенным во входной секции, и трубопроводом 11 ввода газа установлен сетчатый каплеотбойник 12, по высоте соответствующий 1/3 высоты сепаратора, жестко закрепленный к верхней поверхности сепаратора и полностью перекрывающий верхнюю часть корпуса. Сетка 12 имеет размеры ячеек 20×20 мм и выполнена из проволоки толщиной 2-3 мм. Расстояние от сетки 12 до торца трубопровода 11 не менее 0,5 м. Торец трубопровода 11 размещен выше нижнего края сетки 12. Штуцер вывода газа 4 размещен в центре входной секции на верхней образующей корпуса и выполнен в форме Т-образного трубопровода. Горизонтальный участок 13 трубопровода выполнен перфорированным. Перед трубопроводом вывода газа, размещенным внутри корпуса 1, установлен дополнительный сетчатый каплеотбойник 14, жестко соединенный с корпусом 1.
В выходной секции корпуса 1 дополнительно установлен штуцер отвода тяжелой фракции с водосборником 15. Вертикальная разделительная переливная перегородка 2 установлена во второй половине корпуса между водосборниками 15 и 16 со штуцерами 6 отвода тяжелой фракции, размещенными в нижней части корпуса во входной и выходной секциях, и обеспечивающая разделение длины корпуса как 2:1 соответственно, что позволяет качественно осуществлять процесс разделения эмульсии. Водосборники представляют собой полусферы, выполненные в нижней части корпуса 1 и соединенные со штуцером в нижней части. Учитывая то, что вода тяжелее, чем легкая фракция, она будет скапливаться в нижней части и через водосборники 15, 16 выводиться из сепаратора.
Над водосборниками 15 и 16 тяжелой фракции установлены уровнемеры 17, размещенные в успокоительных трубах 18. Уровнемеры размещены через штуцеры уровнемеров на верхней образующей корпуса 1 и через фланцевое соединение закреплены с успокоительными трубами. Применяют успокоительные трубы, например успокоительная труба производства РивалКом (https://rivalcom.ru/catalog/osnaschenie-ukazatelya-urovnya/opusknaya_urovnemernaya_uspokoitelnaya_truba.html).
Высота успокоительной трубы с уровнемером равна диаметру сепаратора, то есть она не опускается в водосборник, а вровень с днищем, так как основные движения сред, влияющих на работу уровнемеров происходят в сечении сепаратора. При этом водосборники установлены рядом с перегородкой на расстоянии не более 50-150 мм от перегородки, так как перегородка задерживает движение тяжелой фракции и концентрирует ее, а также в данной точке может происходить переход (перелив) воды из одной секции сепаратора на другую, где идет отбор очищенного продукта. Уровнемеры 17 обеспечивают контроль уровня легкой и тяжелой фракций в сепараторе до и после перегородки 2, обеспечивая возможность регулировать отбор тяжелой фракции и исключить попадание тяжелой фракции в трубопровод отвода легкой фракции. Успокоительные трубы 18 обеспечивают центрирование уровнемеров 17, снижение налипаний и влияния движения среды на уровнемеры, отрицательно влияющие на качество показаний уровнемеров.
Штуцер вывода легкой фракции - ШФЛУ или нефти выполнен Т-образной перфорированной формы с горизонтальными отверстиями, размещенными в горизонтальной плоскости на горизонтальном участке. Горизонтальный участок 19 размещен ниже верхнего уровня переливной перегородки.
На трубопроводах выхода легкой фракции и сброса тяжелой фракции установлены пробоотборные краны 20, 21, 22. Выход легкой фракции, тяжелой фракции и газа регулируют клапанами 23, 24, 25, 26, установленными на соответствующих трубопроводах вывода легкой фракции, тяжелой фракции и газа.
Конструкция позволяет повысить эффективность и качество процесса подготовки и разделения газожидкостной смеси на составляющие компоненты при упрощении изготовления конструкции и использования устройства, повысить качество контроля и регулирования технологического процесса.
Работает устройство следующим образом.
Газожидкостная смесь с колонны стабилизации после охлаждения в теплообменниках с давлением 0,3-04 МПа по трубопроводу 3, где основная часть свободного газа, отделившаяся при движении по трубопроводу, по газоотводам 8 поднимается и по трубопроводу 7 поступает в верхнюю газовую зону входной секции сепаратора, а газожидкостная смесь с остаточным газом проходит через струевыпрямитель 9 и по трубопроводу 10 поступает во входную секцию (выше слоя тяжелой фракции, преимущественно в промежуточный слой). Отделившийся газ поступает через перфорированный трубопровод 11 ввода газа в газовоздушную зону корпуса 1, проходит через сетчатый каплеотбойник 12, очищается от капельной жидкости и направляется к горизонтальному участку 13 трубопровода отбора газа. Отделившаяся жидкость стекает в слой жидкости во входную секцию аппарата. Струевыпрямитель за счет формирования ламинарного потока способствует разделению эмульсии на тяжелую и легкую фракции. Остаточный газ за счет свой летучести поднимается к горизонтальному участку 13 трубопровода отбора газа, защищенного сетчатым каплеотбойником, очищается от капельной жидкости и выходит из сепаратора через трубопровод вывода газа. Для регулирования давления в сепараторе на выходе газа установлен регулирующий клапан 26.
Во входной секции эмульсия движется до переливной перегородки, и за счет разности плотностей происходит постепенное расслоение эмульсии на два слоя: легкая и тяжелая фракция. В данной зоне легкая фракция, которая находится на верху слоя эмульсии, начинает переливаться через перегородку 2 в выходную секцию. Перед переливной перегородкой и за ней на расстоянии 100 мм размещены водосборники. Во входной секции диаметр водосборника в два раза больше диаметра водосборника выходной секции, так как количество тяжелой фракции в выходной секции остаточное. Над водосборниками 15 и 16 тяжелой фракции установлены уровнемеры 17, размещенные в успокоительных трубах 18. Уровнемеры, позволяют контролировать изменение уровня размещения легкой и тяжелой фракции и регулировать отбор тяжелой фракции, чтобы не допустить ее попадания в трубопровод 19 выхода легкой фракции, при необходимости регулирующими клапанами 24, 25.
Легкая фракция без содержания газа и воды направляется через перфорированный выходной трубопровод на прием насоса, который перекачивает готовый продукт на склад хранения.
Технологический процесс предусматривает отбор проб через установленные на трубопроводах сброса тяжелой фракции и выхода легкой фракции пробоотборные краны 20, 21, 22.
Трехфазный сепаратор обеспечивает повышение эффективности и качества процесса подготовки широкой фракции легких углеводородов и разделения газожидкостной смеси на составляющие компоненты при упрощении изготовления конструкции и использования устройства, повышении качества контроля и регулирования технологического процесса. Также позволяет расширить технические возможности процесса подготовки нефти.