Что делает газовый сепаратор: функции, физика и почему это важно

Ответ на основной вопрос: Что делает газовый сепаратор? Газовый сепаратор удаляет капли жидкости и твердые частицы из потока газа, чтобы газ, выходящий из него, был достаточно сухим для защиты оборудования, точного измерения и соответствия спецификациям трубопровода. Он делает это в четыре этапа: замедление газа, чтобы гравитация могла действовать, осаждение жидкости, улавливание мелких капель, которые гравитация пропускает, с помощью каплеуловителя, и сбор и удаление жидкости под контролем уровня при периодической очистке от твердых частиц. Физическое правило, которым руководствуется весь аппарат, заключается в том, что газ должен двигаться достаточно медленно, чтобы капля жидкости падала быстрее, чем поднимается газ, что выражается уравнением Саудерса-Брауна с коэффициентом K от 0,08 до 0,35 м/с в зависимости от ориентации аппарата и типа каплеуловителя. Хорошо спроектированный аппарат оставляет менее 0,1 галлона США жидкости на миллион стандартных кубических футов газа.

1. Четыре задачи газового сепаратора

Каждая задача решает свою проблему, и все четыре должны работать, чтобы аппарат выполнял свою функцию:

• Он замедляет газ: Газ в трубе движется со скоростью 10-30 м/с, что слишком быстро для оседания любой капли. Первая задача сепаратора — расширить площадь потока, обычно в 10-100 раз, чтобы скорость снизилась до уровня, на котором может действовать гравитация, а входное устройство, такое как перегородка, полуоткрытая труба или циклонный вход, рассеивает оставшийся импульс. Именно поэтому сепараторы намного шире трубы, подающей газ, и почему входной патрубок часто больше входной линии. Это также причина, по которой сепаратор, слишком маленький для своего потока, не деградирует плавно: как только скорость газа превышает предел Саудерса-Брауна, жидкость выносится почти независимо от того, насколько хороши остальные внутренние элементы, потому что капли повторно увлекаются быстрее, чем успевают осесть.
• Он осаждает основную массу жидкости: Как только газ замедляется, капли размером более примерно 100-500 микрометров падают на дно аппарата в течение доступного времени пребывания, поэтому сепараторы обеспечивают удержание жидкости в течение 1-15 минут в зависимости от режима работы. Жидкость накапливается на дне, и уровень поддерживается на заданном значении с помощью сливного клапана или регулирующего клапана уровня. Газ должен равномерно проходить через аппарат, поэтому в горизонтальных аппаратах используются перфорированные распределительные перегородки, а выход жидкости оснащен ломателем вихря, потому что вихрь на выходе затягивает газ в линию жидкости и вызывает именно ту проблему, для решения которой существует сепаратор. При трехфазной работе аппарат также разделяет воду от углеводородной жидкости с помощью контроллера уровня раздела фаз и переливной трубы или кармана.
• Он улавливает мелкий туман: Гравитация не может удалить капли размером менее примерно 100 микрометров в аппарате разумных размеров, поэтому каплеуловитель обрабатывает мелкую фракцию, и именно этот элемент чаще всего определяет фактическую производительность. Кольчужная сетка толщиной 100-150 мм улавливает капли размером более 5-10 микрометров с эффективностью до 99,9% при перепаде давления всего 25-75 мм водяного столба, но она переполняется, если нагрузка жидкости превышает ее пропускную способность. Пластинчатый или шевронный каплеуловитель обрабатывает капли размером 10-40 микрометров, устойчив к твердым частицам и гораздо более высоким нагрузкам жидкости, и предпочтителен в условиях загрязнения. Фильтр-сепаратор с коалесцирующими элементами достигает 0,3-1 микрометра с эффективностью 99,98% и используется перед молекулярными ситами, гликолевыми контакторами и коммерческими счетчиками. Выбор между ними — это компромисс между эффективностью, устойчивостью к загрязнению и перепадом давления.
• Он удаляет жидкость и твердые частицы: Последняя задача — просто удалить захваченный материал из аппарата до того, как он заполнится. Жидкость выходит через нижний выход под контролем уровня, с двумя независимыми датчиками уровня, сигнализатором высокого уровня и блокировкой высокого-высокого уровня, которая защищает последующее оборудование. Твердые частицы, поступающие в виде песка, отложений и продуктов коррозии, оседают под жидкостью и удаляются периодической гидроструйной очисткой, при которой струя воды под высоким давлением флюидизирует слой и выдувает его в циклон или сборный карман. Частота струйной очистки является полезным диагностическим показателем: ежечасно указывает на песчаную скважину или отказ контроля песка, ежемесячно — на чистый поток. И жидкость, и твердые частицы должны куда-то идти, и маршрут утилизации, а не сам аппарат, часто является реальным ограничением.

2. Почему сепарация важна: что она защищает

Ценность газового сепаратора измеряется тем, что он предотвращает, и четыре категории оборудования находятся под угрозой:

• Компрессоры и вращающееся оборудование: Центробежный компрессор — самая чувствительная к жидкости машина в газовом цехе. Капли жидкости эродируют рабочее колесо и лабиринтные уплотнения, вызывают дисбаланс ротора и вибрацию, а также смывают смазочное масло с подшипников; удар жидкости на всасывании может уничтожить машину за секунды. Поршневой компрессор еще хуже, потому что жидкость практически несжимаема, поэтому жидкость в цилиндре вызывает гидравлический замок, который изгибает шатуны и ломает клапаны. Именно поэтому скрубберы на всасывании компрессоров являются стандартными для каждой машины, почему они оснащены быстрой блокировкой высокого-высокого уровня, которая останавливает машину, и почему они имеют небольшой запас жидкости по конструкции: намерение состоит в том, чтобы быстро отключиться, а не хранить жидкость.
• Измерение и передача права собственности: Там, где газ меняет владельца, жидкость напрямую стоит денег. В расходомере с диафрагменной шайбой двухфазный поток изменяет коэффициент расхода и измеряемое дифференциальное давление, а жидкость скапливается в импульсных линиях и перед пластиной, вызывая ошибки в несколько процентов. В ультразвуковом расходомере капли и пленка жидкости на поверхности преобразователей ослабляют и рассеивают сигнал. Поскольку большой трубопровод может транспортировать миллионы стандартных кубических футов в день, постоянная двухпроцентная ошибка является существенной суммой, поэтому контракты предусматривают установку сепаратора непосредственно перед расходомером и часто максимальное содержание жидкости. Это также причина, по которой на пунктах коммерческого учета используются фильтр-сепараторы, а не простые скрубберы.
• Установки очистки: обезвоживание, амины и сера: Жидкость, поступающая на установку, наносит непропорциональный ущерб. В гликолевом контактном аппарате обезвоживания жидкие углеводороды вызывают сильное вспенивание, унос гликоля и потерю способности к обезвоживанию, и это может привести к остановке для очистки системы и замены деградировавшего гликоля. В аминовой установке жидкие углеводороды и твердые частицы вызывают вспенивание, потерю амина и коррозию, а деградировавшие продукты амина ускоряют проблему. В установке молекулярных сит жидкая вода или углеводороды необратимо повреждают адсорбент, поскольку шарики разрушаются и их приходится заменять. В каждом случае средство устранения неисправностей стоит гораздо дороже, чем сепаратор, поэтому входной сепаратор или фильтр-сепаратор устанавливается непосредственно перед этими установками в качестве стандартной практики, а не как опция.
• Трубопроводы, регуляторы и конечные пользователи: Ниже по потоку от установки жидкость создает эксплуатационные проблемы и проблемы целостности. Она накапливается в низких точках, уменьшая площадь потока и пропускную способность и требуя очистки с помощью поршней для удаления. Она образует гидраты в точках снижения давления при сочетании с водой и низкой температурой, создавая пробки, которые могут остановить линию на несколько дней. Она загрязняет регуляторы давления и оборудование для одоризации в распределительных системах. Она способствует внутренней коррозии при наличии воды и кислых газов. И она нарушает спецификацию трубопровода, которая обычно требует отсутствия свободных жидкостей, температуры точки росы углеводородов ниже примерно -5-0°C при давлении подачи, температуры точки росы воды ниже примерно -10°C, сероводорода ниже 4 ppm и углекислого газа ниже 2-3%. Соответствие этой спецификации является конечной договорной целью сепаратора.

Матрица функций газового сепаратора и последствий отказа

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Как на самом деле работает газовый сепаратор?

О: Он работает, давая каплям жидкости время упасть, пока газ движется достаточно медленно, чтобы они могли это сделать. Газ поступает и замедляется входным устройством, которое рассеивает его импульс, затем проходит через большое поперечное сечение, где скорость обычно составляет 0,1-0,5 м/с по сравнению с 10-30 м/с в трубе. При такой скорости капли размером более примерно 100-500 микрометров оседают на дно в течение времени пребывания, поэтому аппарат обеспечивает удержание жидкости в течение 1-15 минут. Капли, слишком мелкие для оседания, улавливаются каплеуловителем, где газ должен менять направление вокруг проволоки или лопасти, а капли, имея большую инерцию, не могут следовать за ним и ударяются о поверхность, коалесцируют в более крупные капли и стекают. Собранная жидкость удерживается на контролируемом уровне и удаляется через клапан; твердые частицы оседают под ней и периодически удаляются струйной очисткой.

В: В чем разница между сепаратором, скруббером и отстойником?

О: На практике эти термины пересекаются и часто используются взаимозаменяемо, но есть условность. Сепаратор — это общий термин, и в газовой промышленности обычно подразумевает аппарат, который разделяет и удерживает жидкость как продукт или поток для переработки, с удержанием 3-15 минут. Скруббер — это меньший, более простой сепаратор, назначение которого — защита, а не производство, с удержанием 1-3 минуты, устанавливаемый на всасывании компрессора, на блоках топливного газа и на отводах контрольного газа. Отстойник, или KOD, — это защитное устройство, рассчитанное на переходный, а не на установившийся поток, чаще всего это отстойник на факеле, рассчитанный на случай аварийного сброса, или аппарат, удаляющий жидкие пробки перед печью или компрессором. Все три используют одну и ту же основу расчета Саудерса-Брауна, но отличаются по времени удержания, приборам и тому, что они защищают.

В: Что произойдет, если газовый сепаратор недоразмерен?

О: Скорость газа превысит предел Саудерса-Брауна, поэтому капли, которые в противном случае осели бы, будут унесены вместе с газом, и аппарат будет постоянно, а не периодически, уносить жидкость. Режим отказа характерен: каплеуловитель переполняется, потому что он получает гораздо больше жидкости, чем было рассчитано, что увеличивает перепад давления, и, как только мат насытится, повторно уносит жидкость в выходной газопровод со скоростью хуже, чем если бы мата не было вообще. Последствия сначала проявляются ниже по потоку, в виде потерь гликоля в установке обезвоживания, вспенивания в аминовой колонне или высокой вибрации и смыва масла в компрессоре. Недоразмеривание наиболее часто встречается после проекта увеличения пропускной способности (деботлнекинга) или когда месторождение производит больше жидкости, чем прогнозировалось изначально, поэтому скорость следует перепроверять при каждом изменении расхода.

В: Как узнать, работает ли газовый сепаратор?

О: Отслеживаются четыре показателя. Перепад давления на аппарате и на каплеуловителе, поскольку стабильное значение означает нормальную работу, а растущая тенденция — загрязнение или переполнение, а падающая тенденция может означать поврежденный или смещенный элемент. Унос жидкости, измеряемый напрямую путем отбора проб или косвенно по поведению последующего оборудования, такого как потребление гликоля в контакторе или вспенивание амина. Поведение регулирования уровня, поскольку частые сигналы высокого уровня, колеблющийся сливной клапан или уровень, который не держится на заданном значении, указывают на проблему обработки жидкости, а не на проблему сепарации. И скорость газа по сравнению с расчетным коэффициентом K, поскольку простейшая проверка — это то, находится ли фактический расход при фактическом давлении и температуре в пределах расчетных параметров аппарата.