Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке методики управления и прогнозирования технологий промысловой адсорбционной осушки природного газа, анализу эффективности технологических процессов установок при изменяющихся параметрах газодобывающего комплекса, обобщению накопленного опыта их эксплуатации и разработке установки адсорбционного типа для промысловых условий с большим диапазоном устойчивой работы, требующей меньших капитальных и эксплуатационных затрат.
Актуальность проблемы. Значительный объем капитальных затрат и эксплуатационных расходов при обустройстве и эксплуатации газовых месторождений, особенно в районах Крайнего Севера, приходится на установки промысловой подготовки газа (УКЛГ). т.к. промысловая подготовка газа требует применения достаточно сложного и металлоемкого оборудования и квалифицированного обслуживающего персонала.
Адсорбционные установки имеют ряд преимуществ перед абсорбционными установками с применением процессов низкотемпературной сепарации, по также имеют недостатки, требующие доработок в технологии и аппаратном оформлении. Их эксплуатация при изменяющихся условиях разработки газовых залежей требует научно-методического обоснования технологических режимов. Такая методика позволяет изучить работу установок в разные стадии разработки газового месторождения, оптимизировать технологические процессы подготовки газа при текущих режимах и обосновать более совершенную схему промысловой адсорбционной установки.
В связи с этим, являются актуальными обобщение и анализ 20-ти летнего опыта эксплуатации установок такого типа па месторождении Медвежье, определение путей совершенствования технологий, схем и
A аппаратов, а также разработка оптимального варианта эффективной технологической схемы установки адсорбционного типа для газовых промыслов. При этом учтена специфика разработки месторождения и эксплуатации газодобывающих комплексов.
Цель работы. Разработка методики прогнозирования, управления процессами и совершенствование технологических схем промысловой адсорбционной осушки природного газа с учетом изменяющихся условий разработки газовых месторождений.
Основные задачи исследований.
-
Разработка методики управления и прогнозирования процессами промысловой адсорбционной осушки природного газа на основе показателей разработки месторождения Медвежье.
-
Разработка рекомендаций по увеличению срока эксплуатации адсорбента на промысловых установках.
-
Совершенствование технологических схем и конструкций аппаратов промысловой адсорбционной осушки природного газа.
-
Разработка и обоснование комплексной схемы промысловой адсорбционной установки осушки природного газа.
Научная новизна.
-
Разработала комплексная методика управления процессами промысловой адсорбционной осушки природного газа в зависимости от текущих показателей разработки.
-
Установлена зависимость текущей динамической емкости адсорбента от срока эксплуатации и нагрузки по влаге.
-
Установлены в промысловых условиях аналитические зависимости динамической емкости силикагеля от линейной скорости, температуры, давления и относительного влагосодержания осушаемого газа.
-
Разработана и обоснована методика расчета цикла регенерации адсорбента.
-
Выявлена зависимость для определения срока работы адсорбента с учетом текущих технологических режимов работы УКПГ.
-
Разработан и обоснован технологический вариант конструкции адсорбера с радиальным движением потоков газа, имеющий промысловое назначение.
-
Разработана и обосновала оптимальная бесцеховая много-сорберная схема осушки с комплексной многофункциональной схемой регенерации для промысловых установок.
Методы исследований. При решении задач в работе использова-лись данные проектных и фактических режимов работы УКПГ, результаты специальных технологических исследований и опытно-промышленных испытаний. Обработка этих результатов осуществлялась математическими методами'с использованием разработанных компьютерных программ, методов термогазодинамики и методик расчетов адсорбционной техники и технологии.
Достоверность полученных результатов н выводов. В работе использованы материалы отчетной документации газовых промыслов Медвежинского газопромыслового управления и результаты специальных технологических исследований. Результаты работы подтверждены сходимостью расчетных и фактических данных.
Практическая значимость н реализация работы в промышленности заключается в том, что результаты исследований, произведенных в диссертации, реализованы в повседневной практике промысловой подготовки газа, в отраслевых и производственных регламентирующих документах, в решениях о выдаче патентов: "Мероприятия по сохранению свойств силнкагсля во время .эксплуатации и продлению срока "его службы", 1989 год; "Режимная карта для подготовки газа на адсорбционных ГП месторождения Медвежье при минимальных энергетических и материальных затратах ", 199І год; " Анализ существующих схем адсорбционной осушки газа, работы установок на примере месторождения Медвежье, разработка основных концепций и оптималыгай схемы
адсорбционной осушки газа для УКПГ месторождений полуострова Ямал ", 1991 год; " Мероприятия по обеспечению подготовки гала на адсорбционных ГП месторождения Медвежье до 2010 года ", 1992 год; " Перерасчет показателей адсорбционной подготовки газа и показателей работы оборудования адсорбционных промыслов на основе новых показателей разработки ", 1993 год.
Апробация работы. Результаты работ обсуждены в ТюменНИИ-ГИПРОГазе, Надымском филиале ТюмснНИИГИПРОГаза в 1987-1992 годах, научно-технических советах предприятия " Падымгазпром " и Медвежышского ГПУ , на научно-технических конференциях в Надыме, Новом Уренгое, Саратове ( ВНИПИГаздобыча), во ВНИИГазс, научно-техническом совещании ЮжНИИГИПРОГазав і. Донецке.
Экономический эффект. Доля автора в суммарном экономическом эффекте от внедрения научно-технических решений и мероприятий на Медвежьем месторождении в ценах 1990 года составила 224,49 тыс. руб.
Публикации. Результаты работ по диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе, двух научно-технических обзорах; 4 работы опубликованы без соавторов .
Объем и струкгура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и защищаемых положений. Диссертация содержит 197 езрашщ машинописного текста, в том числе 22 рисунка, 9 таблиц, 8 приложений, список использованных источников состоит из 89 наименований.
ВО ВВЕДЕНИИ дана общая характеристика диссертационной работы, обосновала актуальность, поставлены цели и задачи исследований и показаны методы их решения, научная новизна.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ обоснована необходимость разработки методики управления и прогнозирования процессов подготовки газа, приведены основные эмпирические зависимое, полученные в резуль-
7 і а ге обработки промысловых данных. Разработан подход к определению продолжительности цикла адсорбции в зависимости от необходимо!! глубины осушки ( рнс.1 ) и обосноиывано оптимальное среднее влагосодержапие за цикл осушки, равное влагосодержанию по ОСТ 51. 40-9J.
T-Q-(\V* + U- W*)
*д = К—^ L . О
...Л) ,,,0СТ і ЦИК II
где Wp1,, = W = ; ал- динамическая емкость, доли
с ' і О
ел..; г-время адсорбции, час ; Q - расход при осушке, нм3/час; W*-влажность исходного газа, г/им-"1 ; U - содержание капельной влаги в
исходном газе, г/нм3 ; W^. - платоеодержапис в товарном газе, г/пм3 ; G - вес адсорбента, г ; ^ WITO.-. - суммарное количество влаги в товарном газе за цикл, г ; Woc' - влагосодержапие в товарном газе но ОСТу, г/пм3.
Установлена зависимость изменяющемся во времени (текущей) динамической емкости для силикагеля на установках месторождения Медвежье в от времени и условий эксплуатации :
а1( = а" ^ 0,03 №'454S + 0,00125 №'909
-Qcp СР ,(2) Q"P.WnPj
где N-число месяцев .эксплуатации;
W" р; W$,- проектное v( фактическое влаїосодержанне за N мес., і Aim3.
QcpQ"Р_ средний за N мсе и проектный расход газа, им3/ ч.
Автором уточнено уравнение материального баланса адсорбции для управления и расчетных исследований технологических процессов в условиях изменения текущих параметров в настоящее время и на перспективу. Это уравнение применялось в расчетах при проектировании или в расчетах конкретных циклов, где известно значение ад и не следу-
'я 0,60
0,55
0,-15
О)
0,05
П о о о
г;
— j
"О Время,
со
Рис. і . Определение Q, ло выходной кривой влагосодержания
1 - влагосодержанеє осушаемого газа, г/н.м^;
/ з
пр 1 -
АПрк
2 - влагосодгржанио осушенного газа, г/н.м , БЫХ
точка прекращения цикла осушки при достижении И W^ :
точка определения допросКоковой динамической емкости; -го о
ц~ ^-аа і ae — точки определения егдкости до проскока те.\!пературы точки рссы;
0ЦИ1(- точка определения динамической емкости за цикл-
а*'$ точка определений ПРоскокоьои іинмичеснои емкости-
з '
ет делать поправку на температуру, влажность или другие параметры, поэтому необходимости его уточнения не возникало, хотя факт влияния параметров на ад известен.
Уравнение материального баланса уточнено введением комплексного коэффициента :
G -а к-1 К = т Q(W* + V - Wс'). (3)
где ^К. = Кт;-К.у-К.р-К\у- комплексный коэффициент, учитывающий влияние параметров осушки па величину ад;
К-|- = 1 + іТ„р — Тф) -8.3333 10_J - коэффициент, учитывающий влияние температуры в диапазоне (10-40) С;
Ку = l + (VMp-Уф)-2,85714 - коэффициент, учитывающий
влияние линейной скорости газа в диапазоне (0,05-0,25) м/с ;
2,30769-10-3-P-2,21893-Hrs-Р2+0,161738
К i> = : коэффи-
1 0,21
циент, учитывающий влияние давления гала п диапазоне (3,0 - 7,5) МПа;
( Щ-\Щ л
Kw=\- 100 Ї -5,7143-10-- коэффициент-, \чи-
( W* J
тывающий влияние относительного влагосодержания газа в диапазоне (50 - 100)% насыщения исходного газа парами воды.
Влияние вышеуказанных факторов на динамическую емкость си-ликагеля представлено па рис. 2-5.
Автором разработана и предложена методика расчета стадии горячей регенерации адсорберов месторождения Медвежье па основе уравнения теплового баланса ( рнс.6 ). Уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид:
Ч| +42 + 43 +44 +Я5 = '.()4(Яб +47 +48 +49) . (4)
«о
0,5
о, г
о, і
і
-і
о
Рис. 2
0,05 0,Ш 0,15 0,20 0,2.5 0,30 .;1инєГ:ная скорость V , i»/c
Зависимость CU от л;:неі:ної: скорости газа в свободном сєчонии адсорбера
0,3
0,2
S 0.1
0~
іємпоратура контакта і, ^
Рис. З . Зазисіі.мость СЬ от температуро контакта при осушке
)\
0,3
с; о
- 0,2
н о
0, і
=<
*»0
давление
50 2 і; г/см
ґис. ^/ . Зависимость Q> от давяения
а н о о
!
Влагосоде^акло Vv ,
Рис. 5 . Зависимость -( от зльгосодерканля
^.4
w-S&i
z&o
Рис.6 изменение входной и выходной энтальпий газа регенерации в адсорбере ^4,^2.,^5,^4,^5 - время, ч fy Лг ,^ ,
K>
где Т| - время достижения максимального значения температуры на входе газа в адсорбер, час; qi - количество поданного в адсорбер тепла за это время Г),кДж;
т2 - время до начала увеличения температуры на выходе газа из адсорбера, час; Цз-количество тепла, поданного в адсорбер между и и тз, кДж ;
т.1 - время до начала стабилизации температуры на выходе газа регенерации во время выпаривания влаги, час; q3- количество тепла . поданное в адсорбер между тз и тз, кДж;
та ~ время до конца периода стабильного выхода температуры во время выпаривания влаги, час ; q4 - количество тепла, поданное в адсорбер между тз и т^, кДж;
т5 - время до окончания процесса регенерации, час ; qs- количество тепла, поданного в адсорбер между хл и т>, кДж; 1,04-коэффициент тепловых потерь; q6 - количество тепла, расходуемое на нагрев адсорбера, кДж; Ц7 - количество тепла, расходуемое на нагрев муллита, кДж; q»- количество тепла, расходуемое на нагрев силикагеля, кДж; qy- количество тепла, расходуемое на выпаривание воды и углеводородов, кДж.
Выявлена зависимость для определения срока эксплуатации адсорбента при заданных параметрах работы адсорбера, конечным результатом которой является выражение:
—J і = а» аЧ- 0,03 №л545 +
G д
Vc р ,уср
^Ф .<И (5)
q"P. w"P
+0,00125-№'909-
.14
Решение уравнения (5) относительно №-4545 позволяет определять количество месяцев эксплуатации силикагсля при известных параметрах работы адсорбера.
Эта методика представляет собой комплект аналитических зависимостей, которые используются при технологических расчетах с изменяющимися параметрами разработки месторождения.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ обоснована необходимость, цели и способы применения аналитических методов для управления и оптимизации процессов на УКПГ. Показаны принципы постановки задач, .способы их решения и варианты их практического применения па установках месторождения Медвежье. Описало применение аналитических методов для прогнозных расчетов и управления технологическими процессами при отклонении лих режимов от проектных, приведены результаты анализа прогнозных расчетов и пути решения возникающих "на адсорбционных промыслах проблем.
Приведенные во второй главе расчетные способы управления технологическими процессами позволяют:
управлять и оптимизировать процессы осушки газа при эксплуатации установок;
производить прогнозные расчеты процессов осушки на перспективу сучетом изменения условий разработки месторождения.
Описано применение методики при эксплуатации действующих УКПГ месторождения Медвежье с использованием технологических "Режимных карт"
Приведен анализ прогнозных расчетов технологии установок на перспективу.Прогнозные расчеты выявили следующие закономерности :
- снижение давления в конце периода постоянной добычи и в пе
риод падающей.добычи газа ведет к увеличению удельного влагосо-
держания исходного газа ( от 0,3 г/н.м3 до 5 - 6 г/н.м3) и, несмотря на
)Ъ
снижение расходов по отдельным установкам, может привести к превышению суммарной проектной нагрузки по влаге до 110 - 140 %;
в конце периода постоянной добычи и начале периода падающей добычи происходит увеличение линейных скоростей в 1,5- 2 раза и гидравлических сопротивлений в ,1-1,3 раза в линии осушки природного газа;
увеличение температуры газа в их сорберах при осушке до (20 -50) "С, линейных скоростей до( 0,20 - 0,15) м/с и уменьшение относительного влагосодержания снижает эффективность массообмепа и приводит к увеличению длительности цикла адсорбции и уменьшению времени цикла регенерации;
установлена тенденция увеличепи ; линейных скоростей до (15 - 25) м/с в линии регенерации, охлаждения, печах огневого нагрева и аппаратах воздушного охлаждения газа регенерации, т.к. расход газа регенерации остается на проектном уровне, а давление газа значительно снижается.
Анализ результатов исследований, приведенных в главе 2, позволяет сделать выводы:
- комплексная методика управления и прогнозирования процес
сами промысловой осушки природного газа позволяет управлять и оп
тимизировать режимы работы УКПТ;
-для обеспечения проектных режимов работы УКПГ размещение дожимпых компрессорных мощностей при обустройстве месторождения необходимо производить до УКПГ;
размещении части дожимпых мощностей после установок необходимо производить на основе предварительного расчета технологических процессов и оборудования.
проектные решения по технологическим режимам установок промысловой подготовки газа должны учитывать параметры газодобывающего комплекса до конца его работы.
\Ь
Показано что одним из определяющих параметров работы установок, являются свойства адсорбента.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ дал краткий анализ причин, снижающих эффективность работы адсорбента. Осногной причиной изменения динамической нагрузки в слое силикагеля, давления и температуры в процессах, является цикличность процессов в адсорбере. Проведена качественная и количественная оценка влияния изменяющихся в течение цикла параметров.
Анализ показывает, что количество изменений давления, температуры и гидравлических нагрузок в слое адсорбента прямо пропорционально числу циклов и достигает от 2000 до 6000 и более за период эксплуатации. При применении целевых технических и технологических приемов возможно регулирование динамических характеристик изменяющихся параметров в адсорбере.
На основе анализа качественных и количественных изменений параметров разработаны и испытаны следующие технологические решения:
" - улучшение гидродинамических характеристик процессов в ад-сорбере (реконструкция кранов на линии входа и выхода газа для увеличения времени открытия и закрытия с (5-7) сек. до (60-70) сек ;
стабилизация давления в адсорбере в течение цикла ( перенос регулятора расхода и давления регенерации после адсорбера для устранения эффекта снижения давления при переходе из стадии осушки в стадию регенерации);
прямоточная регенерация ( регенерация с циркуляцией газа, совпадающей по направлению с потоком осушки, для улучшения эффективности десорбции и продления срока работы силикагеля );
восстановление емкости адсорбента с применением вакуумного процесса.
Рис. 7 Схема многосороерпаіі установки с независимой работоі; адсорберов и многофункциональной схемой регенерации
С-Ї, - олок бходних сепараторов; 0-2,С-3 - блоки сепараторов газа регенерации; Т-І - теплообменник газа; ВХ-І.ВХ-2 - блоки'воздушных холодильников; К - блок компрессоров; Ї-2 - блок теплообменников газа регенерации; П-І блок печеіі огневого нагрева; А-І - А- N - адсорбера; Рд - регуляторы давления
Рекомендации испытаны и внедрены на УКПГ-1 месторождения Медвежье. Они позволили улучшить качественные характеристики процессов в адсорбере:
а) снизить градиенты динамических нагрузок в 10 - 15 раз;
б) стабилизировать давление в адсорбере в течение цикла;
в) улучшить показатель регенерации силикагеля на 3 - 5%;
г) Восстановить текущую динамическую емкость силикагеля на
25-30% ;
д) уменьшить количество циклов во времени на 1 - 2%.
Рекомендации по применению методики анализа условий работы и по поддержанию активности адсорбента предложено применять как на действующих, так и проектируемых установках.
Анализ работы схем и аппаратов УКПГ месторождения Медвежье показывает, что адсорбционные установки требуют усовершенствования для работы в условиях изменяющихся режимов разработки газовых месторождений.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ сформулированы чребовашш для разработки рационального варианта промысловой установки. При этом учтены изменяющиеся условия разработки газовых .месторождений во времени, возможные варианты усовершенствования схем и адсорберов, а также рекомендации, выполненные на месторождении Медвежье. Автором выполнен обзор известных адсорбционных технологических схем осушки и регенерации, а также адсорберов различных типов.
На основе анализа существующих решений, аналитических и промысловых исследований разработаны и предложены основные элементы промысловой адсорбционной установки.
1. Многосорберная-бесцеховая схема осушки газа (рис.7 );
исключает цеховую обвязку адсорберов по линии осушки и регенерации;
осуществляет независимую работу адсорберов в схеме;
',9
- позволяет увеличивать проектную производительное 11, уста
новки включением в осушку дополнительного адсорбера при измене
нии входных параметров газа или интенсификации процессов регепе-
рациии
2. Многофункциональная схема регенерации (см. рис.7 ):
не имеет цеховой обвязки и предназначена для работы на любой адсорбер;
обеспечивает безостановочную работу оборудования схемы регенерации;
обеспечивает равномерный теплообмен в схеме регенерации;
позволяет использовать избыточное давление па входе установки для обеспечения циркуляции газа регенерации в начальный период разработки месторождения;
реалшовывать разные варианты отбора и сброса газа регенерации, а также регенерацию по замкнутому циклу;
позволяет осуществлять протшкуіочную и прямоточную регенерацию;
обеспечивает охлаждение адсорберов за счет перепада давления в схеме осушки и исключает при этом рециркуляцию газа.
3. Адсорбер с радиальными потоками осушаемого газа (рис. 8.):
конструктивно выполнен с такой организацией потоков газа, которая обеспечивает совпадение их направления с раднусаліи сечений адсорбера по всему объему ;
позволяет значительно уменьшить металлоемкость адсорбера за счет ликвидации свободного объема в полости и применения других конструкционных материалов.
позволяет снизить средние линейные скорости осушаемого газа ив 15-18 раз уменьшить гидравлическое сопротивление в адсорбере;
позволяет увеличить время адсорбции на 10 - 15 % и уменьшить время регенерации на 3 - 5 %.
Рис. 8 Схема радиального адсорбера (10 млн.н.м3/сут) I - вход газа; 2 - выход газа; 3 - сплошная перегородка; 4 - корпус; 5 - перфорированная труба;.6 - люки; 7 - муллит; 8-- силикагель; 9 - перфорированная обечайка
?.\
Таблица 1
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСТАНОВОК ( 50 млн.н.мЗ/сут)
Показатели работи установок
Чип установки С Медвежье)
Предлагаемый
вариант ( многосор-
Серный)
Производительность: сутки млн.и Количество адсорберов, Еес одного адсорбера, Производительность сепараторов линии осулки,
Производительность сепараторов линии регенерации Проектная модность печей огнеаог> нагреза,
Проектная нокпость АВО газа регенерации,
Проектная мощность теплообмен-киков газа регенерации,' Проектная мощность компрессоров газа регенерации, .ООцая металлоемкость по технологическому оборудованию, .Г>ь"р-авлическое сопротивление схемы осушки,
.Потребление электроэнергии на технологию,
.Потребление газа на технологию, .Расход газа регенерации.
5(+1)
5 '
о о
5(+1) 100
14.5
22.
Компоновка вышеуказанных схем и применение в них радиального адсорбера обеспечила создание технологической схемы установки с многосорбериой бесцеховой схемой осушки, многофункциональной схемой регенерации и адсорберами радиального типа, которая имеет лучшие показатели чем установка двухсорбериого типа по металлоемкости, энергозатратам и гидравлическому сопротивлению ( табл. 1).
