Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы терморазделения в газах 14
1.1. Механизм эффекта Ранка-Хилша, его основные характеристики 14
1.2. Основные теории вихревого эффекта 21
1.3. Низкотемпературное разделение углеводородных газовых смесей
с использованием вихревых труб 27
1.3.1. Технологические схемы с двухпоточными вихревыми трубами 28
1.3.2. Вихревые установки с ТВТ 33
1.4. Альтернативные газодинамические аппараты 42
2. Разработка методики расчета параметров конденсации компонентов в вихреовй трубе 46
2.1. Теоретические предпосылки разработки методики 46
2.2. Механизм конденсации компонентов газа в ВТ 51
2.2.1. Двухпоточная ВТ производительностью до 50 000 нм3/ч 57
2.2.2. Нерегулируемая ТВТ производительностью до 5 000 нм3/ч 63
2.2.3. Регулируемая ТВТ производительностью до 3 200 нм3/ч 65
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2 69
3. Экспериментальное исследование твт в схеме без рекуперативного теплообменника 70
3.1. Результаты исследований процессов подготовки газа на установке с блоком ТВТ 70
3.1.1. Технологическая схема установки подготовки газа. 70
3.1.2. Конструкция регулируемой ТВТ 74
3.2. Результаты испытаний ТВТ 77
Выводы по разделу 3 92
4. Разработка промышленных низкотемпературных технологических схем подготовки нефтяного газа с применением двт и ТВТ 93
4.1. Требования к качеству транспортируемого газа 93
4.2. Разработка технологических схем подготовки газа 101
4.2.1. Технологическая схема с одной вихревой трубой (ДВТ) 101
4.2.2. Технологическая схема с одной вихревой трубой (ТВТ) 105
4.2.3. Технологическая схема с двумя вихревыми трубами 112
4.2.4. Технологическая схема с ТВТ и холодильной установкой 118
4.2.5. Технологическая схема с ДВТ и двухстадийной компрессией 124
ВЫВОДЫПО РАЗДЕЛУ 4 129
5. Результаты экспериментальных исследований промышленной установки подготовки нефтяного газа с двумя ТВТ 130
5.1. Технологическая схема установки 131
5.2. Характеристика трехпоточных вихревых труб 134
5.3. Режимы эксплуатации, анализ работы ТВТ и установки в целом 135
Выводы по разделу 5 150
Основные выводы и рекомендации 151
Список использованных источников
- Механизм эффекта Ранка-Хилша, его основные характеристики
- Теоретические предпосылки разработки методики
- Результаты исследований процессов подготовки газа на установке с блоком ТВТ
- Разработка технологических схем подготовки газа
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время в России разрабатывается более 1200 нефтяных, нефтегазовых и нефтеконденсатных месторождений. Вместе с нефтью извлекается растворенный в ней газ. Его содержание колеблется от 5 до 300 кубометров на тонну нефти. Годовые потери этого ценного сырья и энергоносителя в целом по стране составляют около 15 млрд. кубометров.
Сжигание его на факелах приводит не только к невосполнимым потерям углеводородов, но и наносит экологический ущерб окружающей среде из-за выбросов в атмосферу вредных веществ, в том числе усугубляющих «парниковый эффект». Кроме того, при эксплуатации месторождений без утилизации нефтяного попутного газа теряются миллиарды рублей в виде платы за выбросы, а бюджеты разных уровней ничего не получают от такой добычи нефтяного попутного газа (НГ). В этой связи проблема использования НГ является актуальной как для организаций, имеющих лицензии на право пользования недрами, так и для государства в целом.
Утилизируя НГ, можно получать электроэнергию, тепло, сжиженный газ для отопления, моторные топлива, высокооктановые добавки и растворители, безнитратные удобрения и другие продукты переработки НГ по более низким ценам для населения региона, чем они имеют место сейчас.
Одной из основных причин неполного использования добываемого вместе с нефтью НГ заключается в том, что его себестоимость, а также себестоимость продуктов его переработки, значительно выше, чем у природного газа. Это связано, прежде всего, с особенностями технологии добычи нефти по сравнению с технологией добычи природного газа, а именно:
- дебиты нефтяных скважин по НГ в десятки раз меньше дебитов газовых скважин;
- давление НГ значительно меньше, чем давление на скважине природного газа;
- в процессе подготовки нефти необходима многоступенчатая система дегазация НГ;
- требуется создания более разветвленной системы газосборных промысловых трубопроводов.
Специфической особенностью НГ является также невозможность его транспортировки на большие расстояния без предварительной подготовки (иначе имеет место двухфазный транспорт, а также риск загидрачивания). Нефть обычно сепарируется при избыточном давлении 0,5-0,8 МПа (1-я ступень сепарации), а не 10,0 МПа (и более), как природный газ, что недостаточно для транспортировки образующегося НГ и подачи его в магистральные газопроводы. Кроме того, в отличие от природного газа, который состоит большей частью из метана и этана, нефтяной газ содержит в своем составе значительное количество пропана, пентана, более тяжелых углеводородов, а также пары воды. Все это требует осушки попутного газа, его отбензинивания и компремирования, что при нерациональном подходе к технологическим решениям влечет за собой большие капитальные и энергозатраты и, соответственно, малую доходность инвестиций.
Для решения вопросов использования ресурсов НГ разработано довольно много различных технологических методов, которые определяются индивидуально для каждого месторождения в соответствии со следующими возможными направлениями его утилизации:
1. Транспорт газа на газоперерабатывающий завод (ГПЗ).
2. Подготовка НГ для подачи в магистральный газопровод.
3. Подготовка НГ с выделением фракции С5+Выше и закачивание ее в нефть.
4. Получение из НГ моторных топлив, высокооктановых ароматических углеводородов, сжиженных газов, безнитратных удобрений и прочих продуктов переработки.
5. Получение электроэнергии.
6. Компрессия и закачивание газа в пласт.
В нашей стране при наличии доступа в основном реализуются варианты пп. 1 и 2, а также довольно широкое распространение получило направление по п. 5. Данные направления требуют соответствующей подготовки НГ, особенно при его использовании в газопоршневых и газотурбинных электростанциях. К потребляемому газовыми двигателями электростанций топливному газу предъявляются довольно жесткие требования (необходимая точка росы, минимально необходимое метановое число, содержание влаги и др.), которые непросто выполнить в промысловых условиях малозатратными методами. Поэтому очень важным в решении подобных вопросов является выбор технологических процессов, преимущественно отработанных в промышленном масштабе, с учетом предпочтительного применения отечественного оборудования, изготавливаемого на заводах РФ и эффективно работающего на действующих объектах.
В практике осушки, очистки и разделения углеводородных газов применяются, как правило, отработанные технологические аппараты и схемы, основанные на традиционных процессах абсорбции, адсорбции, низкотемпературной конденсации с применением холодильных машин, а также на относительно новых процессах (например, мембранных технологиях и др.). Однако подобные установки требуют значительных энергоматериальных затрат, а также затрат на квалифицированное обслуживание. Они вполне рентабельны на агрегатах большой мощности и реализуются, как правило, на ГПЗ. Их эксплуатация в промысловых условиях может оказаться проблематичной как в техническом, так и экономическом аспектах.
Наиболее приемлемы в промысловых условиях технологии, основанные на низкотемпературной конденсации компонентов, когда в качестве генераторов холода используются относительно простые и надежные расширители газа, каковыми на сегодня являются дроссельные вентили и вихревые трубы (ВТ). Следует отметить, что для дроссельного расширителя необходим больший перепад давления, который может быть обеспечен в основном только при добыче и подготовке природного газа.
При подготовке НГ такого благоприятного условия, как правило, нет, поэтому разработчики низкотемпературной технологии очистки и осушки НГ все чаще обращаются в своих проектах к более эффективному расширителю -вихревой трубе Ранка-Хилша. Она прельщает не только своей конструктивной простотой при феноменальной способности одновременного получения холода и тепла, но и возможностью одновременной низкотемпературной сепарацией компонентов. Такая возможность реализуется в трехпоточных вихревых трубах (ТВТ), когда в отличии от двухпоточных вихревых труб (ДВТ) наряду с охлажденным и подогретым потоками из нее выводится сконденсированная и отсепарированная жидкость (или газожидкостная смесь).
Следует отметить, что к настоящему времени разработаны и апробированы другие расширители, в частности, пульсационные охладители газа, газодинамические сверхзвуковые сепараторы, волновые детандеры, труба Леонтьева и другие. И хотя эти аппараты, как и ВТ, эффективнее дросселя, но все они либо только опробованы в опытном масштабе, либо находятся на стадии опытно-промышленных испытаний или единичного внедрения. Что же касается вихревых труб, то они, хотя и постепенно, но заполняют свою технологическую нишу. Их возможности в части генерации холода и надежности в работе подтверждены многолетней промышленной эксплуатацией в составе вихревых установок (ВУ) на ряде предприятий газовой, нефтедобывающей и химической промышленности.
Проведенный анализ технической литературы показал, что промышленная и опытно-промышленная эксплуатация вихревых труб проводится в настоящее время в простейших схемах, не реализующих потенциальных возможностей технологических потоков, пригодных для получения дополнительного холода. Кроме того, имеется весьма ограниченное количество экспериментальных работ по исследованию термодинамических параметров высокорасходных ТВТ; изучен лишь весьма ограниченный ряд конструкций сепарационных узлов ТВТ; практически отсутствуют методики расчета процесса конденсации компонентов в ВТ. Все это является тормозом при разработке и реализации вихревых аппаратов для эксплуатации, в условиях отличающихся от изученных.
Цель работы
Повышение эффективности подготовки попутного нефтяного газа к транспорту в магистральные трубопроводы с применением вихревых труб Ранка-Хилша.
Основные задачи исследований
1. Разработка методики расчета эффективности процесса конденсации компонентов в вихревой трубе.
2. Экспериментальные исследования термодинамических и сепарационных характеристик высокопроизводительной ТВТ.
3. Разработка оптимальной конструкции сепарационного узла ТВТ при работе на нефтяном газе.
4. Исследование вариантов технологических схем подготовки нефтяного газа с вихревыми трубами двухпоточной и трехпоточной модификации, в том числе схем с внутренним холодильным циклом. Разработка технологической схемы с ТВТ установки подготовки попутного нефтяного газа (УПГ) и получения широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) Загорского и Лебяжинского нефтяных месторождений.
5. Анализ результатов эксплуатации реализованной УПГ с применением трехпоточных вихревых труб в рекуперационной схеме с внутренним холодильным циклом и с использованием внешних источников дополнительного холода.
Научная новизна выполненной работы
1. Установлено наличие сверхзвукового течения в ВТ с числом Маха до М=1,75.
2. Установлено преимущество конусно-цилиндрической сепарационной насадки по сравнению со щелевой при работе ТВТ на углеводородном газе, содержащем большое количество конденсирующихся компонентов.
3. Научно обоснованы технологические схемы очистки и осушки углеводородных смесей с применением двухпоточных и трехпоточных вихревых труб, в том числе с внутренним холодильным циклом и с использованием внешних источников дополнительного холода.
4. Проанализированы результаты эксплуатации первой в мировой практике системы очистки и осушки низконапорного нефтяного газа с применением компрессии и трехпоточных вихревых труб в технологической схеме с внутренним холодильным циклом и с использованием холода внешних технологических источников.
Практическая ценность и реализация
1. Разработана и реализована на установке комплексной подготовки нефти и газа ДНС «Загорская» ООО «Терминал» низкотемпературная технология подготовки низконапорного попутного газа на базе компремирования и трехпоточных вихревых труб, позволившая обеспечить необходимую точку росы попутного газа по воде и углеводородам перед подачей его в магистральный газопровод Оренбург-Самара. При этом получаемые сжиженные углеводороды (СУГ) реализуются в качестве сырьевого продукта - ШФЛУ.
2. По результатам внедрения предложенной технологии подготовки попутного газа получен годовой экономический эффект (2006-2007 гг.) в сумме 199 010 тыс. рублей.
3. Выданы рекомендации по разработке системы утилизации попутного газа нефтедобычи с применением вихревой технологии для Капитоновского месторождения предприятия ОАО «Южуралнефтегаз», вводимой в эксплуатацию в 2007 году.
4. Выдано техническое предложение на разработку двух технологических линий установки подготовки попутного нефтяного газа для месторождения «Кожасай» (Республика Казахстан) с применением сепарирующих и холодообразующих ТВТ.
Механизм эффекта Ранка-Хилша, его основные характеристики
Явление терморазделения газа, открытое в 1931 году французским инженером Ранком [1] и впервые широко исследованное немецким ученым Хилшем [2], названное впоследствии вихревым эффектом или эффектом Ранка-Хилша, состоит в разделении газового потока в вихревой трубе на две, отличающиеся друг от друга части - подогретую и охлажденную (в дальнейшем будем условно называть их «холодный» и «горячий» потоки). При этом у охлажденной части газа полная энтальпия ниже, чем у исходного сжатого газа, а полная энтальпия подогретой части выше, чем у исходного газа.
Конструктивно противоточная ВТ представляет собой протяженную цилиндрическую вихревую камеру 4 (рисунок 1.1), имеющую на одном конце завихритель с прямоугольным сопловым вводом 1, осуществляющий закрутку исходного газа, и диафрагму с центральным отверстием 2, служащую для отвода холодного потока. На другом конце ВТ располагается регулирующий вентиль (дроссель) 3, посредством которого осуществляется необходимое перераспределение (соотношение) потоков.
Физика терморазделения газа в ВТ является результатом сложных газодинамических процессов, протекающих в вихревой камере. До настоящего времени, несмотря на шестидесятилетнюю историю экспериментального и теоретического изучения вихревого эффекта, не создана его адекватная и общепризнанная физико-математическая модель.
По современным представлениям механика возникновения вихревого эффекта заключается в следующем. Сжатый газ под действием градиента давления, расширяясь в сопловом вводе 1, разгоняется до определенной скорости (как правило, это скорость звука) и поступает тангенциально в вихревую камеру 4. При этом создаётся высокоскоростной вихревой поток, перемещающийся от сечения соплового ввода к регулирующему вентилю 3. Центробежные силы, действующие на элементы газа в закрученном потоке, приводят к образованию градиента статического давления по радиусу ВТ, который под воздействием диссипативных сил уменьшается по мере удаления от осевого сечения соплового ввода. В приосевой области камеры энергоразделения образуется осевой градиент давления, направленный от вентиля 3 к диафрагме 2, который формирует возвратное течение закрученного потока газа, выходящего через отверстие в диафрагме. Считается, что при газодинамическом взаимодействии внешнего и внутреннего закрученных потоков газа и возникает вихревой эффект Ранка-Хилша. При этом внешний вихрь постепенно нагревается по мере удаления его от соплового сечения, а газ возвратного течения постепенно охлаждается по мере его продвижения к диафрагме.
Прикрывая вентиль 3 на горячем потоке и уменьшая его проходное сечение, увеличивают осевой градиент давления в вихревой камере, что приводит к увеличению количество холодного потока и наоборот. При полном закрытии вентиля весь газ идет по линии холодного потока, при полном его открытии весь газ уходит по трубопроводу горячего потока. Считается, что в этих крайних режимах эффект терморазделения внешне не должен проявляться и величина изменения температуры газа на входе и выходе адиабатной (без теплообмена с окружающей средой или внешним охладителем) ВТ должна соответствовать эффекту Джоуля-Томсона (дросселирования).
С позиции классической термодинамики ВТ представляет собой генератор холода, который по температурной эффективности охлаждения газа существенно выше дроссельного расширителя, но ниже изоэнтропного (идеального) турбодетандера. Приведем основные уравнения и параметры, характеризующие вихревой эффект. Уравнение материального баланса ВТ GB = GX + Gr. (1.1) Для адиабатной ВТ уравнение первого начала термодинамики в энтальпийной форме GBiB = Gxix + Grir (1.2) или в безразмерной форме ів = ЦІх + 0-ц)іг, (1.3) где H = GX/GB (1.4) относительный весовой расход холодного потока (доля холодного потока), равный (равная) отношению весового расхода газа холодного потока Gx к весовому расходу сжатого газа GB.
Теоретические предпосылки разработки методики
При рассмотрении основных теорий вихревого эффекта отмечалось, что физика терморазделения газа в ВТ является результатом сложных газодинамических процессов и несмотря на значительный объем экспериментального и теоретического изучения вихревого эффекта, до настоящего времени отсутствует его адекватная и общепризнанная физико-математическая модель. В первую очередь речь идет о возможности расчета ключевых для ВТ термодинамических параметров, а именно об определении значений АТХ и АТГ при заданных ж и \х для конкретной конструкции ВТ, работающей на конкретном газе или газовой смеси. Отсутствие приемлемой физико-математической модели вихревого эффекта приводит к трудностям расчета термодинамических характеристик процесса расширения газа в ВТ.
При разработке и проектировании низкотемпературных процессов с применением ВТ, термодинамические параметры ее работы на относительно сухих газах обычно принимаются непосредственно из экспериментальных данных (если таковые имеются для заданных условий). Либо для оценки эффекта Ранка-Хилша используются различные эмпирические или полуэмпирические методики зависимости различных показателей эффективности ВТ [6, 67, 68]. Эти показатели (различного рода к.п.д. и поправочные коэффициенты) обычно получены в результате обработки массива наработанных экспериментов.
Рассматривая процессы конденсации компонентов газа в вихревой трубе, в том числе в ТВТ, необходимо, прежде всего, иметь в виду, что теоретически в ней имеется две зоны охлаждения газа и, соответственно, две зоны возможного появления капельной жидкости. Первая зона находится в сопловом вводе и является следствием известного термодинамического закона и том, что в скоростном потоке газа имеет место понижение температуры «движущегося градусника». При этом газ охлаждается до статической (термодинамической) температуры, более низкой, чем температура торможения (полная температура).
Вторая зона конденсации должна находиться в охлажденных приосевых слоях вынужденного вихря, где из-за потери окружной скорости определяющую роль играет не статическая температура, а температура торможения. Температура формирующегося холодного потока (вынужденного вихря) начинает снижаться в районе дросселя (конца вихревой камеры) и достигает минимального значения на срезе диафрагмы. По мере снижения статической температуры во внутреннем вихре могут появляться капельки жидкости, которые будут отбрасываться центробежными силами на периферию и образовывать пленку на внутренней стенке вихревой камеры. Теоретически дисперсная жидкость может образовываться по всей длине вихревой камеры, но в основном это должно происходить на участках, близких к сопловому вводу, где возникает минимально низкая температура приосевых слоев вихря
Помимо описанного процесса конденсации имеет место также процесс испарения компонентов из пленки жидкости при нагреве газа горячего потока по мере продвижения свободного вихря от соплового сечения к дросселю. Это приводит не только к обогащению горячего потока высококипящими компонентами, но и влияет на фазовое равновесие в холодном потоке, т. к при формировании вынужденного (приосевого) вихря из элементов свободного (периферийного) вихря происходит из газа, имеющего повышенную концентрацию высококипящих компонентов. Поэтому так важно улавливать (отделять) пленку сконденсированной жидкости до начального момента ее испарения, что и обеспечивается конструкцией ТВТ.
Вопрос о том, какая зона конденсации дает наибольшее количество сконденсированной жидкости, да и происходит ли вообще конденсация компонентов в этих зонах ВТ при фиксируемых внешних параметрах торможения, пока изучен недостаточно. Для выяснения этого момента рассмотрим расчетные и экспериментальные данные, имеющиеся в технической литературе.
Если говорить о первой зоне конденсации, т.е. о сопловом вводе, то наиболее показательными должны быть расчетные и экспериментальные данные, полученные авторами работ [59, 60] на вихревом сепараторе ВС. В этом аппарате, в отличие от ВТ, нет зоны возвратного течения закрученного потока газа, а значит отсутствует разделение природного газа на холодный и горячий потоки. Конденсация компонентов идет только в «центростремительном завихрителе» за счет «изоэнтропного расширения исходной газовой смеси». Авторами указанных публикаций была разработана математическая модель и выполнены соответствующие расчеты процесса изоэнтропного расширения углеводородной многокомпонентной смеси с использованием уравнения состояния Редлиха-Квонга в оптимальной модификации [59].
При этом процесс изоэнтропного расширения характеризовался функциональной зависимостью, имеющей вид S (Рв, Тв) = г,Э1пр S [(Рв - АРСТ), Тст]. (2.1)
К сожалению, в работе [59] отсутствуют конкретные значения параметра АРСТ и коэффициента тэнтр, а также нет сведений, каким образом и на основании каких эмпирических данных они определялись. Следовательно, отсутствуют основные моменты, по которым можно судить о корректности проведенных расчетов и степени их достоверности.
Следует однако отметить, что подход авторов [59] может быть полезен для инженерных расчетов определения Тст, а значит и для оценки процесса конденсации компонентов в ТВТ, если известны значения т\зтр, полученные на основе достоверных экспериментальных данных.
По нашему мнению физически более нагляден подход авторов работы [27], где за ключевой параметр принята статическая температура на выходе из сопла Тст при л 2,0 и соответствующем статическом давлении Рст v 1 у где Я)в = ит - тангенциальная скорость газа на входе в сопло. Учитывая, что скорость потока в сопле критическая (л 2,0), слагаемое ив2 в числителе явно лишнее, т.к. критическая скорость в сопле не зависит от начальной скорости потока. Это значит, что в расчетах, проведенных авторами [27], статическая температура Тст может быть несколько занижена.
Результаты исследований процессов подготовки газа на установке с блоком ТВТ
Исследования проводились на промышленной установке подготовки природного газа к транспорту, принципиальная схема которой показана на рисунке 3.1.
УПГ технологически относительно проста, имеет две ступени дросселирования газа на дросселях Др1 и Др2, сепараторы СІ, С2 и подогреватель природного газа П1 для предотвращения гидратообразования при снижении давления газа на дросселе Дрі. Режим работы подогревателя Ш обуславливается температурой газа перед второй ступенью дросселирования. Блок регулируемой трехпоточной вихревой трубы, разработанный для условий эксплуатации в данной схеме УПГ, был смонтирован параллельно дросселю Др2.
Следует отметить тот важный момент, что при работе УПГ только на дросселях (без ТВТ) основная часть конденсата, отводимого с УПГ, образуется после первой ступени дросселирования и улавливается в сепараторе С1. При снижении давления газа на дросселе Др2 жидкой фракции получается настолько мало, что сепаратор С2 остается практически «сухим». Конденсат начинал выпадать в магистральном газопроводе при транспортировке природного газа потребителю, что, конечно, не только нежелательно, но и недопустимо. Задача блока ТВТ - понизить точку росы транспортируемого природного газа.
На рисунке 3.2 представлена схема блока ТВТ, на которой схематично изображена собственно ТВТ, трубопроводы, арматура, а также точки установки КИПиА. Блок ТВТ функционирует следующим образом. Высоконапорный газ после первой ступени сепарации, пройдя открытый вентиль В1, поступает в сопловой ввод ТВТ, где разгоняется до определенной скорости за счет располагаемого перепада давления, закручивается в вихревой камере и разделяется на два потока - холодный и горячий. Образовавшийся конденсат отбрасывается центробежными силами на периферию, отделяется от вихревого потока посредством сепарационного узла и попадает в конденсатосборник ТВТ. Отсюда с помощью системы автоматического поддержания уровня (уровнемерная колонка, регулятор РЗ) жидкость направляется в емкость сбора конденсата (на схеме не показана), откуда поступает на реализацию. Холодный и горячий потоки после ТВТ смешиваются и смешанный поток, т.е. подготовленный к транспорту газ, через открытый вентиль В2 направляется в магистральный газопровод.
Доля холодного потока ц устанавливается ручным регулирующим вентилем Р2, расположенным на трубопроводе горячего потока. Необходимая производительность ТВТ обеспечивается с помощью специального устройства для варьирования площади соплового ввода (на схеме данное устройство обозначено как регулятор Р1). Контроль функционирования ТВТ осуществляется по приборам давления и температуры. Для отбора проб газа и жидкости имеются штуцера в соответствующих точках схемы.
Давление измерялось техническими манометрами с точностью до 0,1 МПа, что при весьма высоком уровне общего давления и значительной разнице давлений на входе и выходе из ТВТ вполне удовлетворяло расчету отношения давлений я; с точностью до 0,02.
Давление фиксировалось в следующих технологических точках: вход в вихревую трубу; - выход холодного потока; горячий поток до регулятора Р2. Температура регистрировалась с помощью ртутных термометров, находящихся в термокарманах, с точностью до 0,5 С в следующих точках технологической схемы: вход в ТВТ; холодный поток; горячий поток до регулятора Р2; смешанный поток. Общий расход газа замерялся с помощью нормальной диафрагмы с точностью до 0,1 тыс. нм3/ч. Ввиду отсутствия расходомеров на потоках ТВТ доля холодного потока оценивалась ориентировочно по степени открытия вентиля Р2 (количеству оборотов штурвала N), т.е. по принципу «больше-меньше» по сравнению с предыдущим режимом.
Отбор проб на анализ проводился с помощью специального узла отбора проб (см. далее раздел 4) при установившемся температурном режиме ТВТ. Аналитический контроль обеспечивался в двух точках: на входе в вихревую трубу и на смешанном потоке. Температура точки росы (Тр) определялась с помощью гигрометра «Торос-3-2».
При проведении экспериментальных исследований ТВТ выводилась на определенный режим, выдерживалась на этом режиме около 1 часа, и только после этого фиксировались все показания приборов и при необходимости отбирались пробы газовой фазы.
Регулируемая трехпоточная вихревая труба, схематически изображенная на рисунке 3.3, представляет собой цилиндрическую конструкцию, расположенную вертикально и имеющую один вход (для исходного газа) и три выхода: холодный и горячий потоки, вывод конденсата (или газожидкостной смеси).
Она имеет сопловой блок с тангенциальным сопловым вводом 3, вихревую камеру, расположенную в корпусе 1, продолжением которой служит труба горячего потока 5, диафрагму с центральным отверстием 4 для отбора холодного потока, который выходит по трубе 7, сепарационный узел 9 для вывода конденсата, устройство для ручного регулирования площади сопла, состоящее из клинообразного элемента 2 и ручного привода регулирования 8, с хвостовиком 11 и конденсатосборник 6 с патрубками для вывода конденсата и присоединения уровнемерной колонки 12.
Разработка технологических схем подготовки газа
Экономическая целесообразность ограничения перепада давления, создаваемого блоком компремирования, диктует проведения рекуперации всех потоков ВУ, а также по возможности привлечения внешних промысловых источников холода. Последними может быть нефть, сам нефтяной газ, подаваемый на подготовку, и др.
Как указывалось в разделе 1, одним из возможных направлений совершенствования вихревых установок является применение неадиабатных (охлаждаемых) вихревых труб, когда для повышения холодопроизводительности ДВТ тепло отводится не только с горячим потоком, но и с охлаждающим вихревую камеру технологическим потоком газа или жидкости [5, 34]. Неадиабатные вихревые трубы могут эффективно работать при большей доле холодного потока (ц = 0,8-0,9), а значит с большей холодопроизводительностью по свравнению с обычными ДВТ. Более того, они могут успешно эксплуатироваться и при ц = 1,0, т.е. в отсутствии горячего потока.
Необходимо подчеркнуть, что применение неадиабатных ДВТ целесообразно в основном при ж 2,0, когда температура горячего потока выходит на уровень, дающий возможность снять тепло через стенку вихревой камеры тем или иным холодоносителем. Так, в исследованиях [5, 34] неадиабатные ДВТ работали при к = 5,0-6,0. Правда, в практике использования неадиабатных вихревых труб имеется пример успешной эксплуатации промышленного аппарата в рекуперативной схеме, когда значение отношения давлений составляло в среднем тс = 1,7 [48]. Охлаждение вихревой камеры осуществлялось охлаждающей водой.
В схемах подготовки нефтяного газа можно использовать два источника дополнительного холода для функционирования неадиабатной ДВТ, а именно газ низкого давления после рекуперативного теплообменника (товарный газ) и конденсат после сепаратора, когда его достаточно, чтобы охладить вихревую камеру неадиабатной ДВТ.
Реализация подобного подхода к созданию технологической схемы УПГ представлена на рисунка 4.4. Этот вариант базируется на компремировании нефтяного газа с последующим его охлаждением и сепарацией образующейся жидкости. В этой схеме применяется неадиабатная ДВТ, которая может охлаждаться либо конденсатом, либо подготовленным газом. Данный вариант рекомендуется к применению, когда необходима компактная УПГ в контейнерном исполнении и есть возможность создать оптимальное для ВТ отношение давлений (я 4), как, например, при подготовке нефтяного газа в качестве топлива для газопоршневых или газотурбинных электростанций. УПГ содержит компрессор 1, аппарат воздушного охлаждения 2, охлаждающий и рекуперативный теплообменники 3 и 4, газовый сепаратор 5, сепаратор конденсата 7 и неадиабатную ДВТ 6.
Технологический процесс низкотемпературной осушки и очистки нефтяного газа по варианту распределения потоков 6А осуществляется следующим образом. Очищенный от капельной жидкости и механических примесей нефтяной газ смешивается с газами выветривания из сепаратора конденсата 7 и с температурой 12 С (здесь и в дальнейшем описании приводятся параметры одного из рассчитанных вариантов) при избыточном давлении 0,4 МПа отдает свой холод сжатому газу, нагреваясь при этом в охлаждающем теплообменнике 3 до температуры 28 С, затем сжимается в компрессоре 1 до давления 3,0 МПа, нагреваясь до температуры 146 С. После компрессора 1 сжатый газ охлаждается сначала в аппарате воздушного охлаждения 2 до температуры 35 С, а затем в охлаждающем теплообменнике 3 до температуры 24 С и в рекуперативном теплообменнике 4 до температуры минус 10 С. После чего охлажденный нефтяной газ подается в газовый сепаратор 5, где от него отделяется образовавшийся при охлаждении конденсат.
После отделения конденсата практически подготовленный нефтяной газ направляется на расширение до давления 0,3 МПа в неадиабатную вихревую трубу 6А, где он разделяется на горячий и холодный потоки. Холодный поток (85-90 % от исходного газа) с температурой до минус 40 С направляется на рекуперацию в теплообменник, 4, откуда выходит с температурой 9 С и далее направляется в охлаждающую рубашку вихревой камеры ДВТ. Здесь он нагревается до температуры 15 С и после смешения с охлажденным горячим потоком направляется потребителю. Газы выветривания из сепаратора 7 поступают на смешение с сырым газом.
