Что такое сепаратор кондиционирования газа: конструкция, функции и спецификация трубопровода

Ответ на основной вопрос: Что такое сепаратор кондиционирования газа? Сепаратор кондиционирования газа — это аппарат на входе установки подготовки газа, который удаляет свободные жидкости, уносимую влагу и твердые частицы из потока добытого газа, а также регулирует его давление и температуру, чтобы газ можно было безопасно транспортировать, измерять или перерабатывать. Он выполняет пять функций: гравитационное отделение основной массы жидкости, удаление мелкой влаги с помощью влагоотделителя, удаление твердых частиц и песка, снижение давления с помощью дросселя и управление температурой для предотвращения образования гидратов. Целевые показатели, которым он должен соответствовать, устанавливаются спецификацией трубопровода и оборудования: отсутствие свободных жидкостей, углеводородная точка росы обычно ниже -5-0 °C при давлении подачи, водная точка росы ниже примерно -10 °C, сероводород ниже 4 ppm, диоксид углерода ниже 2-3% и теплотворная способность в диапазоне 35-42 МДж на нормальный кубический метр. Расчет размеров секции сепарации выполняется по уравнению Саудерса-Брауна с коэффициентом K от 0,10 до 0,35 м/с в зависимости от ориентации и типа влагоотделителя.

1. Функции сепаратора кондиционирования газа

Пять функций объединены в одном аппарате или блоке, и каждая из них решает конкретную задачу транспортировки или переработки:

• Отделение основной массы жидкости: Газ, поступающий из скважины, сборного коллектора или установки, расположенной выше по потоку, содержит свободные жидкости в виде пробок, пленки вдоль стенки трубы и уносимых капель. Сепаратор должен удалить все это, поскольку свободная жидкость в газопроводе вызывает проблемы при очистке поршнями, коррозию, неточное измерение и, в худшем случае, избыточное давление в низконапорной системе ниже по потоку из-за отказа регулирования уровня. Гравитационная сепарация в аппарате обрабатывает капли размером более примерно 100-500 микрометров, а диаметр аппарата определяется пределом скорости пара по Саудерсу-Брауну. Пробки обрабатываются либо за счет большого объема удерживаемой жидкости в самом аппарате, либо, при больших объемах, с помощью специального уловителя пробок, который на наземных установках может представлять собой несколько сотен метров трубы большого диаметра, сконфигурированной в виде пальцевой или арфообразной конструкции.
• Удаление мелкой влаги: Гравитация не может удалить мелкие капли, поэтому ими занимается влагоотделитель. Пакет из вязаной проволочной сетки 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 и является стандартным выбором для чистого газа. Там, где газ содержит твердые частицы, воск или масло компрессора, которые могут засорить сетчатый пакет, используется пакет лопаток или шевронов, обрабатывающий капли размером 10-40 микрометров и допускающий гораздо более высокую нагрузку по жидкости и твердым частицам. Там, где требования наиболее строгие, например, перед гликолевым контактором или молекулярным ситом, устанавливается фильтр-сепаратор или коалесцирующий фильтр, удаляющий капли размером до 0,3-1 микрометра с эффективностью 99,98% со сменными элементами и датчиком перепада давления для планирования замены.
• Удаление твердых частиц и песка: Добывающие скважины несут песок, отложения, продукты коррозии и, в некоторых месторождениях, мелкие частицы породы, и они разрушительны: они изнашивают дроссельные затворы, регулирующие клапаны и лопатки компрессоров, накапливаются в аппарате и уменьшают его рабочий объем, а также засоряют влагоотделитель и оборудование ниже по потоку. Сепаратор удаляет их гравитацией в специальной зоне сбора песка, обычно в нижней части аппарата или в отдельном кожухе для песка, а накопленные твердые частицы удаляются периодической пескоструйной обработкой, при которой высоконапорная струя воды или добытой воды флюидизирует слой и выдувается в пескоструйный циклон или сборный бачок. Частота струйной обработки варьируется от ежечасно на песчаной скважине до еженедельно на чистой, и это один из самых надежных ранних индикаторов отказа системы контроля песка в скважине.
• Снижение давления и контроль температуры: Газ обычно поступает под давлением на устье скважины, часто 30-150 бар, и должен быть снижен до давления транспортировки или переработки. Это снижение осуществляется с помощью дросселя или регулирующего клапана, и оно охлаждает газ по эффекту Джоуля-Томсона, обычно на 0,4-0,7 °C на бар перепада давления для природного газа. Это охлаждение может быть полезным, поскольку оно конденсирует более тяжелые углеводороды и помогает соответствовать углеводородной точке росы, но оно также создает риск образования гидратов: при 70 барах метан со свободной водой образует гидраты ниже примерно 20-25 °C, а гидратная пробка является одной из наиболее частых причин остановки производства. Поэтому система кондиционирования либо нагревает газ, используя косвенный линейный нагреватель с огневой трубой или водяной баней, либо впрыскивает термодинамический ингибитор, обычно моноэтиленгликоль в количестве 0,5-3 л на килограмм добытой воды, или метанол, где регенерация нерентабельна.
• Защита измерительных приборов и топливный газ: Те же принципы применяются к меньшим блокам кондиционирования, используемым для топливного газа и контрольно-измерительного газа. Газ, используемый для питания турбины, привода компрессора или нагревателя, должен быть свободен от жидкости, поскольку капли жидкости в газовой турбине вызывают нестабильность пламени, коррозию горячей секции и, со временем, повреждение лопаток; поэтому блок кондиционирования включает сепаратор, коалесцирующий фильтр, регулятор давления и часто перегреватель, который поднимает температуру газа на 10-20 °C выше его углеводородной точки росы, чтобы гарантировать отсутствие конденсации ниже по потоку. Контрольно-измерительный газ кондиционируется дальше, осушается до точки росы, обычно на 20 °C ниже самой низкой температуры окружающей среды, и фильтруется для удаления масла и твердых частиц, поскольку подача воздуха или газа для контрольно-измерительных приборов, которая замерзает или засоряется, вызывает отказ регулирующего клапана во всем объекте.

2. Конструкция и эксплуатация сепаратора кондиционирования газа

Три проектных решения определяют, будет ли сепаратор соответствовать спецификации на протяжении всего срока службы месторождения:

• Расчет размеров на весь профиль добычи: Газовый сепаратор должен рассчитываться не по текущим расходам, а по всему профилю добычи, что в газовом месторождении означает противоположное поведение на каждом конце. В начале срока службы месторождения расходы высоки, а жидкости могут быть низкими, поэтому аппарат ограничен пропускной способностью по газу, и критерий Саудерса-Брауна является определяющим. В конце срока службы расход газа падает, но жидкости, особенно вода из наступающего водоносного горизонта или из-за истощения пластового давления, резко возрастают, поэтому аппарат становится ограниченным по объему удерживаемой жидкости, и, что критически важно, скорость газа может упасть настолько низко, что сепаратор работает в режиме, где влагоотделитель больше не работает эффективно. Опытные проектировщики проверяют как минимум три случая: начальные расходы, пиковые расходы и расходы на конец срока службы, и подтверждают, что сепаратор работает как при частичной нагрузке, так и при проектной. Стандарты расчета размеров, такие как API 12J, обеспечивают основу, но прогноз добычи является реальным входным параметром.
• Регулирование уровня и обработка жидкости: Регулирование уровня в газовом сепараторе является как наиболее важным, так и наиболее подверженным отказам элементом. Если уровень поднимается слишком высоко, жидкость переносится в газовый выход, заливая влагоотделитель и, в худшем случае, направляя пробку жидкости в компрессор; если он падает слишком низко, газ проходит через жидкостный выход, что приводит к избыточному давлению в системе жидкости ниже по потоку и может привести к разрыву аппарата, не предназначенного для газа. Стандартная практика — два независимых датчика уровня с сигнализацией, аварийное отключение при высоком уровне, которое останавливает сепаратор или закрывает выход, и сливной клапан вместо регулирующего клапана для жидкости, поскольку добытые жидкости часто содержат песок и являются эрозионными. Затем жидкость должна куда-то поступать: в систему очистки добытой воды, в стабилизатор конденсата или обратно в экспортную линию, и маршрут утилизации часто является ограничением, а не сам сепаратор.
• Материалы, коды и целостность: Сепараторы кондиционирования газа изготавливаются по ASME VIII Division 1 с клеймом U или по PED 2014/68/EU с маркировкой CE для европейской эксплуатации. Стандартной является углеродистая сталь, такая как SA-516 Grade 70, но там, где газ содержит сероводород, применяется NACE MR0175 / ISO 15156: твердость материала ограничена, обычно до 22 HRC, и обязательна термообработка после сварки для предотвращения растрескивания под напряжением в сероводородной среде, с использованием стали, устойчивой к HIC, для влажной кислой среды. Там, где присутствует диоксид углерода с водой, добавляется запас на коррозию 3-6 мм и предусматривается впрыск ингибитора коррозии выше по потоку. Внутренние элементы должны быть съемными через люк для осмотра и замены, а аппарат должен быть оснащен предохранительным устройством, рассчитанным по API 520 для случаев пожара и заблокированного выхода, и системой сброса для безопасного снижения давления до факела или закрытого дренажа.

Матрица сравнения функций кондиционирования газа и оборудования

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Какова разница между кондиционированием газа и переработкой газа?

О: Кондиционирование газа подготавливает газ к транспортировке или использованию в качестве топлива, не изменяя его общий состав фундаментальным образом: оно удаляет свободные жидкости и твердые частицы, регулирует давление и температуру, предотвращает образование гидратов. Переработка газа изменяет состав для соответствия спецификации продажи: она удаляет сероводород и диоксид углерода в аминовой установке, удаляет воду в гликолевом осушителе или молекулярном сите, извлекает природные газы путем охлаждения или криогенного расширения и удаляет азот или гелий при необходимости. На практике сепаратор кондиционирования является первым аппаратом в технологической цепочке и существует для защиты оборудования для переработки: гликолевый контактор будет пениться и терять эффективность, если в него попадет жидкий углеводород, а аминовая установка будет пениться и страдать от потери амина, если входящий газ содержит жидкости или твердые частицы, поэтому сепарация на входе перед этими установками рассматривается как критическая задача, а не формальность.

В: Как предотвратить образование гидратов в сепараторе кондиционирования газа?

О: Четыре подхода, используемые по отдельности или в комбинации. Нагрев газа выше по потоку или внутри сепаратора с помощью косвенного линейного нагревателя, так что даже после охлаждения по Джоулю-Томсону через дроссель газ остается выше температуры образования гидратов, обычно с запасом 5-10 °C. Впрыск термодинамического ингибитора, обычно моноэтиленгликоля в количестве 0,5-3 л на килограмм свободной воды, который смещает кривую равновесия гидратов вниз, или метанола, когда регенерация не оправдана; ингибитор перемещается с водной фазой и регенерируется и рециркулируется в установке регенерации гликоля. Осушение газа перед стадией охлаждения, чаще всего с помощью гликолевого контактора, так что нет свободной воды для образования гидратов вообще. И контроль снижения давления таким образом, чтобы охлаждение по Джоулю-Томсону, составляющее 0,4-0,7 °C на бар, не опускало газ ниже температуры гидратов, иногда путем разделения перепада давления на две стадии с нагревом между ними.

В: Что такое фильтр-сепаратор и когда он нужен вместо скруббера?

О: Фильтр-сепаратор объединяет две стадии в одном аппарате: секцию коалесцирующих фильтрующих элементов выше по потоку, которая улавливает мелкие капли жидкости и объединяет их в более крупные капли, и секцию влагоотделителя ниже по потоку, обычно пакет лопаток, которая удаляет увеличенные капли из газа. Он обеспечивает удаление до 0,3-1 микрометра с эффективностью до 99,98%, по сравнению с 5-10 микрометрами для скруббера с сетчатым пакетом, поэтому он указывается везде, где оборудование ниже по потоку чувствительно к любой жидкости. Три классических применения: перед установкой осушения молекулярным ситом, где жидкий углеводород быстро деактивирует сито и может привести к его разрушению; перед гликолевым контактором, где жидкий углеводород вызывает сильное пенообразование и потерю гликоля; и перед центробежным компрессором или газовой турбиной, где мелкие капли вызывают эрозию и загрязнение. Компромиссом являются сменные элементы, которые требуют контроля перепада давления и режима замены, и которые быстро засоряются, если твердые частицы не удаляются выше по потоку.

В: Как контролируется производительность сепаратора кондиционирования газа?

О: Постоянно отслеживаются четыре показателя. Перепад давления на влагоотделителе или фильтрующих элементах, поскольку растущая тенденция указывает на загрязнение или затопление задолго до того, как унос станет видимым. Унос жидкости ниже по потоку, измеряемый либо прямым методом отбора проб, либо косвенно путем мониторинга производительности установки ниже по потоку, такой как увеличение потерь гликоля в осушительном контакторе или увеличение пенообразования амина. Поведение регулирования уровня, при котором частые сигналы высокого уровня или колеблющийся сливной клапан указывают на проблему уровня, недостаточный размер жидкостного выхода или эмульсию на границе раздела. Давление и температура на устье скважины и в сепараторе по сравнению с кривой образования гидратов, поскольку устойчивое смещение в сторону области гидратов или растущий зазор между температурой газа и температурой гидратов является ранним предупреждением о проблеме дозирования ингибитора или отказе нагревателя. Многие операторы также отслеживают образование песка, регистрируя частоту струйной обработки, что дает дешевый и непрерывный показатель эффективности контроля песка в скважине.