Надзвукова сепарація, Контент-платформа
Науковий керівник: доцент
На газоконденсатних родовищах України для підготовки газу до далекого транспорту застосовується метод низькотемпературної сепарації (НТС). Метод полягає в охолодженні потоку пластового флюїду за рахунок дроселювання надлишкового тиску і механічного поділу рідкої та газової фаз, що утворилися.
Дроселяція газу заснована на застосуванні ефекту Джоуля-Томпсона. Ефектом Джоуля-Томсона називається зміна температури газу при адіабатичному дроселюванні - повільному перебігу газу під дією постійного перепаду тисків крізь дросель (пористу перегородку).
Малюнок 1 – Клапан КРД-5
Робоче середовище надходить у напірну частину корпусу і проходить через профільований отвір дискового сідла, що відкривається при повороті золотника, який повертається навколо своєї осі за допомогою шпинделя, що проходить через ущільнення графлексу, що з'єднується з приводом.
Першим серйозним недоліком НТС є те, що для запобігання гідратоутворенню при зниженні температури газового потоку необхідно використовувати небезпечні хімічні реагенти (метанол, суміш етанолу та гліколю).
У міру розробки родовища при його виснаженні слід було б для підтримки заданого рівнявидобутку рідких вуглеводнів з полегшується складу вихідної суміші знижувати температуру сепарації. На практиці через безперервне зниження вільного перепаду тиску температура сепарації постійно зростає. Вищесказане є другим істотним недоліком системи НТС [3].
Третім недоліком даної схеми є її великі габаритні розміри та значна маса, що вкрай небажано при видобутку газу на морі (проектна вартість одного ліжко-місця на платформі становить 4 мільйони доларів) [8].
Наявність рухомих частин у клапані НТС та його рух щодо одне одного при частих регулювання рівня відкриття клапана викликають необхідність трудомісткого і висококваліфікованого технічного обслуговування. Цей факт вказує на неможливість використання НТС у підводних системах підготовки газу, де доступ персоналу до обладнання утруднений, а у разі великих глибин неможливий. Використання водолазів та підводних роботів пов'язане з ризиками та значними витратами.
Менш поширеним в Україні є спосіб осушення газу за допомогою турбодетандерів (рисунок 2).
 |
Малюнок 2 – Турбодетандер (ліворуч) та його робоча камера (праворуч)
Турбодетандери - лопаткові машини безперервної дії, в яких потік проходить через нерухомі напрямні канали (сопла), що перетворюють частину потенційної енергії газу в кінетичну, і систему лопаткових каналів, що обертаються, ротора, де енергія потоку перетворюється в механічну роботу, в результаті чого відбувається охолодження газу. За рахунок двоступінчастого перетворення енергії газу турбодетандер більш ефективний у порівнянні з клапаном КРД, проте має схожі з ним недоліки.
Враховуючи викладене раніше булорозроблено технологію підготовки газу на основі 3S сепарації. 3S сепарація (від англ. Super Sonic Separation) - новітня технологія, призначена для вилучення цільових компонентів з природних газів. Технологія базується на охолодженні природного газу надзвуковому закрученому потоці газу.
Надзвуковий потік реалізується за допомогою конфузорно-дифузорного сопла Лаваля. У такому соплі газ розганяється до швидкостей, що перевищують швидкість поширення звуку в газі. При цьому за рахунок переходу частини потенційної енергії потоку до кінетичної енергії відбувається сильне охолодження газу. Рідина, що виділилася в результаті охолодження, відцентровими силами з прискоренням, що досягає 106 м/с2 [5], відкидається до стінок вихідного розтруба, а газ виходить через дифузор. У дифузорі кінетична енергія, набута потоком, перетворюється на тиск (тиск на виході становить 70-80 % від вхідного тиску) [6].
1 - завихрюючий пристрій; 2 – сопло Лаваля; 3 – робоча секція; 4-двофазний сепаратор газ-рідина; 5 – дифузор; 6 – напрямний апарат
Малюнок 4 - Схема руху газорідинної суміші в 3Sсепараторі
Порівняно з традиційними схемами підготовки газу використання 3S-сепараторів має такі переваги:
- Дозволяє відмовитися від використання хімікатів для боротьби з гідратоутворенням (час перебування газорідинної суміші всередині сепаратора становить тисячні частки секунди, за такий малий проміжок часу гідрати не встигають сформуватися)
- Мала займана площа та маса установки, високатранспортабельність та монтажоспроможність (сепаратор спроектований на робочий тиск у 100 бар має довжину 2 м);
- спрощення конструкції установки;
- продовження періоду безкомпресорної експлуатації родовища;
- зниження витрат потужності компресорних станцій без зниження продуктивності (досягає 50-70%) [5];
- поглиблене вилучення пропан-бутанів та етану;
- запобігання винесення конденсату із сепараторів НТС за рахунок збільшення ступеня вилучення фракцій C5+ (30 % зростання вилучення при однакових енерговитратах) [5];
- ефективне вилучення CO2 та H2S з кислих природних газів [2];
- у 3S-сепараторі відсутні рухові частини і, як наслідок, немає необхідності у трудомісткому та висококваліфікованому поточному обслуговуванні апарату;
- Можна використовувати на платформах та в підводних системах підготовки газу.
Малюнок 4 - Порівняльний графік ефективності
Перша експериментальна установка була побудована у Канаді. Перша у світі промислова установка 3-ї сепарації була введена в дію в 2005 році в Західному Сибіру.
Влітку 2007 р. було завершено проект модернізації УКПГ-1 Губкинського родовища «Роснефть-Пурнефтегаз» на основі 3S-технології, при цьому продуктивність газу та конденсату зросла на 50%. Термін окупності капітальних вкладень на модернізацію становив 6 місяців [6]. За кордоном ця технологія активно використовується компанією Shell.
1 , Технологічні схеми УКПГ на основі 3S - технології для північних родовищ - Московський фізико-технічний інститут
2 Войтенков3-S технології для сепарації кислих компонентів з природного газу - Інститут проблем нафти та газу РАН
3 Полстян сепарація. Шляхи розвитку – Матеріали XII регіональної науково-технічної конференції «Вузовська наука – Північно-Кавказькому регіону». Том перший. Природні та точні науки. Технічні та прикладні науки. Ставрополь: СевКавДТУ, 20с.
6 Melewar Gas Technologies Ltd. Supersonic gas separation – The breakthrough in gas processing
7 Marco Betting, Hugh Epsom. Supersonic separator gains market aceptance // World Oil / April 2007
8 Alain Lepage – Petroleum project management, TPA тренування в ASTU