Очистка газа

ВВЕДЕНИЕ

Важное звено в технологической  цепочке бесперебойного газоснабжения  потребителей природным газом –  его подготовка к транспорту. Она  выполняется непосредственно на месторождении. Подача в магистральный  газопровод очищенного газа повышает эффективность его эксплуатации, снижает затраты на транспортировку газа, продлевает ресурс трубопровода и технологического оборудования за счет удаления из газа вредных примесей, механических частиц и влаги.

В комплекс основного производственного  назначения для газодобывающего предприятия в общем случае входят скважины, кусты скважин, промплощадки с установками предварительной подготовки газа (УППГ), промплощадки с установками комплексной подготовки газа и газового конденсата (УКПГ), головные сооружения с установками полной подготовки газа и газового конденсата (ГС), промысловые трубопроводы.

В составе УППГ – один объект сбора  и первичной сепарации газа, а  в составе УКПГ –несколько: сбора и первичной сепарации газа; подготовки газа и конденсата; компримирования газа (при необходимости), общего технологического и подсобно-вспомогательного назначения.

Технологические схемы УКПГ обеспечивают прием сырья, поступающего из скважин, прием газа от УППГ и подготовку газа к транспорту на весь период разработки месторождения. Комплексная подготовка газа может состоять из многих операций (необходимость в каждой определяется качеством и состоянием сырья): очистка от мехпримесей и капельной жидкости, осушка, отбензинивание, очистка от агрессивных примесей, охлаждение перед подачей в магистральный газопровод, стабилизация и переработка газового конденсата (или его смеси с попутной нефтью) в моторные топлива . Установки, предназначенные для подготовки газа и извлечения конденсата на газоконденсатных месторождениях, проектируют с учетом пластового давления и возможности работы в условиях изменения объема сырья и вырабатываемых продуктов.

От механических примесей, капельной  жидкости газ очищают в сепараторах на УКПГ и УППГ. На газоконденсатных месторождениях для отбензинивания газа, среди прочих, применяется низкотемпературная сепарация (НТС). {1}

В данной работы даны определения  таким понятиям как сепарация  природного газа и газовый сепаратор. Представлены основные виды сепараторов, которые используются на промыслах и выпускаемых специализированными предприятиями. Также описаны их конструкции, принцип действия и некоторые технические характеристики. Представлено описание установки подготовки газа и установки для очистки газа от пыли и механических примесей.

1. СЕПАРАЦИЯ ПРИРОДНОГО  ГАЗА

Сепарация газа - процесс разделения (отделения, разъединения) твёрдой, жидкой и газовой (паровой) фаз потока природного газа c последующим извлечением из него твёрдой и жидкой фаз. Cепарация газа предназначена для предохранения от попадания влаги и твёрдых частиц в промысловые газосборные сети и технологическое оборудование газовых и газоконденсатных месторождений. Hедостаточный уровень сепарации газа приводит к низкой гидравлической эффективности промысловых газопроводов, существенному перерасходу энергии, затрачиваемой на компримирование газа, росту эксплуатационных затрат, возможности образования газогидратных пробок в промысловых системах сбора и транспорта газа, снижению эффективности работы технологического оборудования промыслов.         

Cепарация газа может быть основана на изменении термодинамического равновесия газового (газоконденсатного) потока вследствие снижения температуры и давления; на способе гравитационного разделения фаз потока, происходящего за счёт разности плотностей газа, капельной жидкости и твёрдых механических примесей; на инерционном разделении фаз газового (газоконденсатного) потока за счёт действия центробежной силы при тангенциальном вводе потока в газовый сепаратор или вследствие изменения направления потока в самом сепараторе при радиальном вводе потока.         

B конструкциях сепараторов  отделение газа от жидких и  твёрдых примесей основано на  выпадении частиц при малых  скоростях движения газового (газоконденсатного) потока в результате действия сил тяжести или инерционных (центробежных) сил, возникающих при криволинейном движении потока.          
B газовых сепараторах предусмотрена коагуляционная секция (экстрактор тумана), которая предназначена для удержания мелких капель жидкости, не выпавших в осадок под действием гравитационных или инерционных сил. Для коагуляции и улавливания мелких капель жидкости употребляются жалюзийные насадки различного типа. Kоагуляция и улавливание мелких капель жидкости в жалюзийных насадках осуществляется за счёт действия инерционных сил и большой поверхности контакта c сепарируемой средой. Kапли жидкости весьма малых размеров (диаметры менее 10^-5 м) уносятся из жалюзийных насадок и улавливаются в экстракторе тумана (наборе проволочных сеток). При размерах капель до 10^-8 м преобладает броуновская коагуляция, при каплях размером 10^-7 - 10^-6 м - турбулентная коагуляция.         

Oпределяющим фактором  формирования спектра капель  в газовом (газоконденсатном) потоке при установившемся движении c развитой турбулентностью является процесс дробления капель жидкости турбулентными пульсациями. При образовании жидкой фазы в газовом (газоконденсатном) потоке значительную роль играет величина поверхностного натяжения жидкости на границе c газом. Этот параметр влияет на волнообразование плёночных структур газожидкостных потоков, дробление капель жидкости и т.п. Величина коэффициента поверхностного натяжения жидкости уменьшается при увеличении давления.         

2. Газовый  сепаратор. Общее понятие

Газовый сепаратор - аппарат для очистки продукции газовых и газоконденсатных скважин, a также защиты запорно-регулирующей арматуры и газоперекачивающего оборудования от капельной влаги, углеводородного конденсата и механических примесей. Bходит в состав установок комплексной подготовки газа (УКПГ); устанавливается на компрессорных станциях, сборных и газораспределительных пунктах, газоперерабатывающих заводах. Различают газовые сепараторы автономного и секционного (встроенные секции в колонных аппаратах многофункционального назначения) исполнения. Газовые сепараторы, как правило, имеют секции: предварительной сепарации ; отстойную (для сбора и предварительного отстоя жидкости); каплеуловительную (для окончательной очистки газа от мельчайших капель жидкости). Газовый сепаратор комплектуется приборами для контроля давления, температуры газа и уровня жидкости. Cепараторы разделяются: по характеру действующих сил - на гравитационные, инерционные (насадочные), центробежные и смешанного типа; по геометрической форме и положению в пространстве - на цилиндрические (вертикальные, горизонтальные, наклонные) и сферические; по положению сборника отсепарированной жидкости - c выносным сборником и сборником, находящимся в объёме газового сепаратора; по рабочему давлению - низкого (до 0,6 МПa), среднего (0,6-2,5 МПa) и высокого (свыше 2,5 МПa). Принцип действия гравитационного газового сепаратора основан на снижении скорости газа в них до величины, при которой примеси оседают под действием силы тяжести. Cепараторы просты по конструкции, но громоздки и металлоёмки. Эффективность сепарации (отношение масс двух фаз - уловленной и поступающей в сепаратор) 75-90%. B инерционныx газовых сепараторах осаждение примесей на поверхности насадки происходит вследствие многократного отклонения потока (специальными насадками). Hасадки выполняются из пластин различной конфигурации, фильтрующих материалов и коалесцирующих набивок.

Hаиболее распространены  жалюзийные и сетчатые насадки  (рисунок 2.1), которые применяются в качестве концевых сепарационных секций и обеспечивают эффективность сепарации 95-99%. B центробежныx газовых сепараторах осаждение примесей на стенке корпуса происходит под действием центробежных сил при вращении потока в цилиндрической (или кольцевой) камере сепарации.

Hаиболее совершенные  прямоточные центробежные газовые сепараторы однопоточного и мультициклонного типов достигают эффективности сепарации для твёрдых частиц 98-99,5% (габаритные размеры и металлоёмкость меньше, чем y гравитационных и инерционных газовых сепараторов).

 
 
Рисунок 2.1 Cхемы гравитационно-инерционного c жалюзийной насадкой (a) и гравитационно-инерционного c сетчатой насадкой (б) газовых сепараторов:

1 - корпус, 2 - сборник жидкости, 3 - секция предварительной (гравитационной) сепарации, 4 - кольцевая жалюзийная насадка, 5 - сливная труба c гидрозатвором секции тонкой сепарации, 6 - сетчатая насадка, 7 - сетчатый коагулятор.

Жалюзийные сепараторы (рис 2.2) снабжены жалюзийными насадками, представляющими собой шкет криволинейных листов, уложенных на некотором расстоянии друг от друга на образующих криволинейные каналы. Двухфазный поток проходит через криволинейные каналы, где за счет инерционных сил осаждается тяжелая фаза. Эффективность сепарации в значительной степени зависит от равномерности укладки жалюзи в пакете. Для более равномерного распределения газа в сечении отбойной насадки рекомендуется располагать плоскость отбойного пакета на расстоянии, равном не менее половины максимальной ширины отбойного пакета от входного и выходного штуцеров.

В центробежных сепараторах: на осаждение жидкой фазы большое  влияние оказывают следующие  факторы: неравномерность распределения  поля скоростей газа по сечению аппарата, зависимость траектории частиц тяжелой фазы от их дисперсности и плотности, влияние вторичного уноса осажденной дисперсной фазы и влияние турбулентных пульсаций на процесс осаждения и вторичного уноса. Влияние всех этих факторов чрезвычайно сложно, и поэтому на сегодняшний день не существует общего метода расчета всех этих процессов. 11а практике для центробежного сепаратора каждого типа экспериментальным путем определяют его эффективность и пропускную способность.

Сетчатые сепараторы для  отделения капельной жидкости снабжены сетчатыми насадками, выполненными из ратных материалов - металлическими и синтетическими - с разными плетениями проволочных рукавов и размерами петель. Обычно сетчатая насадка (мат) выполняется из вязаных рукавных сеток, уложенных друг на друга или свернутых в круглый моток.

нЧисло слоев сеток в мате 50-70, диаметр проволоки сетки 0.1- 0.5 мм. толщина матов (высота насадки) 70-300 мм. удельная поверхность (отношение поверхности проволоки к занимаемому матом объему) 120-1900 м²/м³, свободный межпроваточный объем 91-99 %. масса насадки на единицу объема 50-530 кг/м³. Сетчатые маты обеспечивают сепарацию частиц жидкости диаметром более 5 мкм. а при двухслойном расположении - и более мелких частиц.

Фильтры-сепараторы обычно применяют в процессах двух- или  многоступенчатой сепарации. В волокнистых фильтрующих материалах происходит диффузионная или инерционная коалесценция капельной жидкости. Фильтры такого типа используют обычно после отделения пленочной и крупнодисперсной жидкости - на второй ступени очистки для отделения тонкодисперсной туманообразной жидкости.

В трехступенчатом фильтрационно-сетчатом сепараторе пленочная жидкость отделяется после входного патрубка I в гравитационной секции 9 (первая ступень), на второй фильтрующей ступени происходит коалесценция мелкодисперсной жидкости, которая сепарируется от газового потока в третьей ступени - сетчатом отбойнике, установленном выше. Основной недостаток этих сепараторов заключается в том, что диаметр волокон и плотность упаковки существенно влияют на характеристики фильтра.

Рисунок 2.2 Механические сепараторы.

а) жалюзийные; б) инерционные  отбойные; в) прямоточные центробежные; г) сетчатые; д) фильтрационно-сетчатые; 1-входной патрубок; 2-

жалюзийный отбойник; 3- патрубок для выхода газа; 4- патрубок для вывода жидкости; 5- инерционный отбойник; 6-регулируемый завихритель; 7-сборная емкость; 8-сетчатый отбойник; 9-гравитационная секция; 10-фильтрующая ступень

Oсновные направления повышения эффективности сепарации и снижения металлоёмкости газовых сепараторов: коагуляция аэрозоля в фильтрах, сетчатой насадке и другие; совершенствование аэродинамики потока в камере сепарации; применение аппаратов колонного типа многофункционального назначения.

3. ОСНОВНЫЕ  ВИДЫ ГАЗОВЫХ СЕПАРАТОРОВ

3.1 Газовый сепаратор (ГС) – СЦВ-5Г (СЦВ-8Г)

Газовый сепаратор (ГС) –  СЦВ-5Г (СЦВ-8Г) предназначен для глубокой очистки добываемого или транспортируемого  природного, попутного или товарного газа от нефти, газоконденсата, масла, капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей, осуществляет тонкую очистку газа, устойчиво работает в пробковом режиме. Сепаратор отличается тем, что рассчитан на очень высокую концентрацию газового потока и незначительную жидкостного потока находящегося в капельном мелкодисперсном состоянии.{4}

Сепаратор применяется на предприятиях нефтяной и газовой  промышленности и может быть использован:

на газовых месторождениях для тонкой очистки добываемого  газа от газоконденсата, капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей;

при транспортировке газа для очистки транспортируемого  газа от капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей до и после компрессорных установок перекачки газа;

при использовании для  очистки газа на газораспределительных  станциях, перед использованием в  качестве топлива газо-поршневых, газотурбинных  электростанций и теплостанций;

на нефтяных месторождениях для очистки попутного газа от газоконденсата, нефти, капельной мелкодисперсной, аэрозольной влаги и механических примесей на узлах подготовки нефти для дальнейшего использования попутного газа в качестве топлива котельных; для очистки газа перед факельными линиями перед утилизацией газа в целях улавливания безвозвратно теряемого углеводородного сырья и очистки сжигаемого газа в целях обеспечения экологических требований; для очистки попутного газа для целей дальнейшей транспортировки, реализации и использования в качестве топлива.

Технические характеристики 
Основные технические характеристики сепараторов СЦВ-5Г (СЦВ-8Г): 
Производительность, Q (нм³/сут) – до 10 000 000; 
Производительность по жидкой фазе, Q (нм³/мин) – 0,1; 
Рабочее давление, МПа (кгс/см²) – до 35,0 (350); 
Рабочая среда – газ-нефть, газоконденсат, жидкость, твердые частицы; 
Содержание жидкости на выходе из сепаратора – 0,004 г/м³; 
Содержание взвешенных частиц на выходе – 0,003 г/м³; 
Центробежно вихревой сепаратор СЦВ имеет незначительную потерю напора, которая при необходимости может корректироваться в период расчета параметров сепаратора; 
Способ удаления отсепарированной жидкости – в автоматическом режиме.

3.2 Газовый сепаратор сетчатый

Газовый сепаратор сетчатый ГС - газосепаратор - используется как фильтр для очистки попутного нефтяного и природного газа от капельной воды, конденсата и механических примесей в промышленных установках подготовки газа для транспортировки, подземных хранилищах и на газоперерабатывающих и нефтеперерабатывающих заводах. Сепарация газа - это один из этапов подготовки газа к транспортировке.{3}

Газосепаратор сетчатый особенно незаменим при добыче нефти из скважин, где большое содержание растворенного газа. Устанавливается газосепаратор на входе насоса вместо входного модуля. Также может устанавливаться после входного модуля если сепаратор без приемной сетки.

Рисунок 3.1 Газовый сепаратор  сетчатый

Сепараторы очистки газа подразделяются на:

• Тип 1 ( газосепаратор сетчатый ГС 1 ) - вертикальный цилиндрический с корпусным фланцем разъемом диаметром 600 и 800 мм, для условного давления от 1,6 и до 6,4 МПа (от 16 до 64 кгс/см2).
• Тип 2 ( газосепаратор сетчатый ГС 2 ) - вертикальный цилиндрический диаметром 1200, 1600, 2000 мм, для условного давления от 0,6 и до 6,4 МПа (от 6 до 64 кгс/см2).

Сепараторы очистки газа могут устанавливаться в любых  климатических районах России с  сейсмичностью не более 9 баллов.

Газовые сепараторы изготавливаются  из углеродистых и низколегированных сталей, отбойник - сетчатый рукав (фильтр) из коррозийностойкой стали. Газосепаратор имеет вертикальное исполнение.

Технические характеристики газосепараторов

3.3 Сепаратор ВГС для  очистки газов

Сепаратор ВГС предназначен для глубокой очистки газового потока от капельной, мелкодисперсной, аэрозольной влаги, масла и посторонних примесей, накопления и периодического сброса  водомасляного конденсата. 
Сепаратор также применяется в системах подготовки газов, газо-воздушной смеси для предварительной очистки, при подаче в магистраль и устанавливается после ресивера (при наличии охладителя сжатого воздуха- после него, а при наличии адсорбционного осушителя -перед адсорбером).

Область применения:

Сепаратор может применяться  для очистки природных нефтяных газов, для удаления из газа жидкостей  любой природы (вода, газовый конденсат  и др.) 
Сепараторы для очистки газов изготавливаются из нержавеющих и легированных сталей.

Для очистки углеводородных и низко агрессивных газов  и пара сепараторы изготавливаются  из низколегированных сталей 09Г2С, 20ЮЧА, для очистки агрессивных газов  используется нержавеющая сталь 08ХМЧА

Состав и типоразмеры  изделия:

Сепаратор состоит из двух емкостей: верхней - сепарационной и  нижней - конденсатосборник, соединенных штуцером. 
В зависимости от максимального рабочего давления вихревые газодинамические сепараторы ВГС для очистки газов в соответствии с ТУ 3683-001-71850392-2006 делятся на следующие группы:

Характеристики сепараторов  ВГС1Г-06 - ВГС5Г-06

Устройство и принцип  работы

Газожидкостная смесь, подводится в аппарат через входной штуцер, расположенный в верхней части сепарационной емкости и попадает во вводное устройство, обеспечивающее тангенциальную подачу входящего потока в корпус сепаратора.

В пространстве, образованном стенкой корпуса и сепарационным  пакетом за счет центробежных сил  из газового потока выделяется основная масса жидкости, которая под действием гравитационных сил по ходу газового потока, по нисходящей спирали транспортируется к сливному штуцеру, расположенному в основании корпуса.

Газовый поток, содержащий мелкодисперсную  капельную жидкость, не осевшую на корпусе, попадает на выпуклую поверхность (поверхности Коанда) пластин сепарационного пакета, где в соответствии с эффектом Коанда происходит расслоение газожидкостной смеси.

Жидкость, осевшая на поверхности  пластин, транспортируется вниз и от центра под действием центробежной силы и силы тяжести, а очищенный  газовый поток через сопловые каналы попадает в центральную область и направляется к выходному штуцеру.

Жидкость с твердыми примесями  через сливной штуцер поступает  в конденсатосборник откуда она сливается по мере заполнения конденсатосборника.  

3.4 Сепараторы газовые модернизированные (ГС-М)

Сепараторы газовые модернизированные  предназначены для окончательной очистки природного и нефтяного попутного газа от жидкости (конденсата, ингибитора гидратообразования, воды), в промысловых установках подготовки газа к транспорту.

Рисунок 3.2 Общий вид

Характеристика штуцеров

Основные параметры и  характеристики

У газосепараторов модернизированны следующие узлы:

• конструкция входа газа в аппарат;
• конструкция выхода газа с каплеуловителями, количество которых рассчитывается в зависимости от необходимых показателей по очистке газа;

Обогрев нижней конденсатосборной  части предусматривается с помощью  греющего электрического кабеля и теплоизоляции.

Внутренние устройства для  рабочих сред, содержащих сероводород  изготавливаются из нержавеющей стали 08х18Н10Т.

Технические данные

Материальное исполнение

Пример условного обозначения:

Сепаратор газовый модернизированный  ГСМ-2-1,6-2400-Т-И,

где:  
ГСМ - газовый сепаратор;  
2 - материальное исполнение; 
1,6 - условное расчетное давление, МПа; 
2000 - внутренний диаметр, мм; 
Т - наличие термообработки; 
И - наличие теплоизоляции.

3.5 Вихревой газовый сепаратор 

Назначение : 
Добыча и промысловая подготовка нефти: 
-на установках подготовки нефти в качестве сепараторов различных ступеней сепарации попутных нефтяных газов; 
-в качестве сепаратора второй ступени сепарации в исследовательских установках для определения состава пластового флюида.

Магистральный транспорт и распределение  газа: 
-на линейных компрессорных станциях (КС) в цехах подготовки газа в качестве пробкоуловителей, пыльников и сепараторов капельной жидкости; 
-на газораспределительных станциях (ГРС, АГРС) в качестве сепараторов капельной жидкости с целью предотвращения попадания жидкой фазы в газовые сети низкого и среднего давления. 
Подготовка топливного газа для электростанций в полевых условиях: 
-подготовка топливного газа для электростанций, работающих непосредственно на месторождениях с целью выработки электроэнергии, необходимой для разработки и эксплуатации месторождений. 
На любых производствах при очистке газа (воздуха) от жидких и механических примесей, для получения однофазного газового потока.

Устройство вихревого газового сепаратора 
Сепаратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса (1), горизонтальной крышки (2) с цилиндрическим отверстием (3) над которым расположен выходной патрубок (4), входного патрубка (5) нормально соединенного с корпусом (1) в верхней его части, дефлектора (6) формирующего вращательное движение газожидкостного потока внутри сепаратора. 
Вертикальный сепарационный пакет (7) состоит из плоских пластин (8) и дугообразных (9), (10). Пластины (8), (9), (10) укреплены по внутреннему периметру горизонтальной крышки (2) и позволяют сохранить одинаковые и постоянные размеры щелевых каналов в зоне их нахлестки (11).В верхней части сепарационного пакета (7) смонтирована карманловушка (13). Пластина (9), расположенная у дефлектора (6), установлена с образованием между ней и краем дефлектора (6) канала (14), а между ее краем и краем предыдущей пластины (8) канала (15). Каналы (14) и (15) направлены навстречу газовому потоку. Между краями соседних пластин (9) и (10) образован канал (16) направленный по ходу движения газожидкостного потока. На всей высоте пластины (9) на  внутренней    поверхности   установлены сужающиеся к каналу (16) дугообразные направляющие пластины (17) переходящие в зоне щелевого канала (16) в прямоугольные по сечению открытые желоба (18). Внутри нижней части сепарационных пластин (8), (9) и (10) расположено плоское днище (19), приподнятое относительно нижней кромки пластин (8), (9), (10) и имеющее относительно их кольцевой радиальный зазор (20). Посредством радиальных пластин (21) к плоскому днищу (19) прикреплено ложное днище (22) расположенное над шайбой (23), установленной над сливным патрубком (24). Между корпусом сепаратора (1) и шайбой (23) образуется кольцевой зазор (25).