Что такое входной газовый сепаратор: назначение, расчет размеров и рекомендации по проектированию

Ответ на основной вопрос: Что такое входной газовый сепаратор? Входной газовый сепаратор — это первый аппарат, в который поступает поток газа на перерабатывающем заводе, компрессорной станции, установке осушки или узле учета, и его задача — защитная: он удаляет свободные жидкости и твердые частицы, которые в противном случае повредили бы, загрязнили или остановили все последующее оборудование. Поскольку объем жидкости на входе в установку по своей природе неизвестен и может поступать в виде порции объемом от 5 до 100 м3, входные сепараторы рассчитываются более консервативно, чем любые другие сепараторы на установке. Расчетный коэффициент K в уравнении Саудерса-Брауна обычно составляет 0,08-0,20 м/с, в отличие от 0,10-0,35 м/с для последующих аппаратов, а запас по жидкости составляет щедрые 3-10 минут, а не 1-3 минуты, используемые для простого скруббера. Целевой показатель производительности обычно выражается как унос жидкости менее 0,1 галлона США на миллион стандартных кубических футов, и аппарат является самым дешевым средством защиты на установке от самых дорогих отказов последующего оборудования.

1. Почему входной сепаратор рассчитывается консервативно

Четыре характеристики входного потока оправдывают дополнительный запас, и каждая из них связана с режимом отказа:

• Неизвестный и переменный объем жидкости: В отличие от последующего сепаратора, где состав питающего потока определяется предыдущим аппаратом и является стабильным, входной сепаратор сталкивается с тем, что поступает из трубопровода или скважин. Объем жидкости варьируется в зависимости от условий эксплуатации скважин, рельефа местности, графика очистки поршнями и температуры окружающей среды. Трубопровод, очищенный поршнем после нескольких месяцев эксплуатации, может выдать порцию, гораздо большую, чем та, которую предполагал стационарный расчет, а порции от рельефа местности в холмистой системе сбора могут поступать без предупреждения. Именно поэтому аппарат оснащается щедрым запасом по жидкости и системой контроля уровня, которая реагирует за секунды, а не за минуты, и почему сигнализация высокого уровня установлена так, чтобы закрыть выход газа до того, как жидкость достигнет каплеуловителя.
• Защита последующего оборудования: Ценность входного сепаратора измеряется тем, что он защищает. Контактор гликолевой осушки будет сильно пениться и терять гликоль, если в него попадет жидкий углеводород, а молекулярное сито будет необратимо повреждено жидкой водой или углеводородом. Центробежный компрессор получит эрозию лопаток и, при сильном поступлении порции, катастрофическое повреждение лопаток и уплотнений. Газовая турбина погаснет или, что хуже, получит коррозию горячей секции и откажет лопатка из-за попадания жидкостей и соли. Узел учета будет показывать неверные показания, что приведет к прямым финансовым последствиям. В каждом случае стоимость входного сепаратора, обычно от одного до трех процентов от стоимости установки, ничтожна по сравнению со стоимостью предотвращаемого отказа, что и является причиной его щедрого проектирования, а не расчета по минимуму, требуемому стационарными расчетами.
• Обработка порций и время реакции уровня: Поступающая в входной сепаратор порция должна быть поглощена без уноса жидкости в газовый выход. Два параметра определяют это: объем жидкости, который может быть накоплен до срабатывания сигнализации высокого уровня, и доступное время. Если порция объемом 50 м3 поступает в течение пяти минут, а сепаратор имеет рабочий объем 20 м3 выше нормального уровня, система контроля уровня и сливной клапан должны удалять жидкость со скоростью 10 м3 в минуту, а также поглощать избыток, иначе сработает сигнализация. Конструктивные решения включают более крупный аппарат, сливной клапан, рассчитанный на скорость поступления порции, а не на среднюю скорость, отдельный уловитель порций перед сепаратором для трубопроводов с сильным порционным потоком и философию управления, которая позволяет установке снизить производительность или рециркулировать, а не немедленно останавливаться, если это безопаснее для последующих аппаратов.
• Твердые частицы, песок и воск: Входные потоки содержат песок, окалину, продукты коррозии, остатки бурового раствора в новом месторождении, а иногда и воск, который выпадает в осадок при охлаждении газа. Эти твердые частицы оседают в нижней части аппарата, вызывают эрозию седла сливного клапана, засоряют каплеуловитель и уменьшают рабочий объем. Поэтому входной сепаратор проектируется с зоной сбора твердых частиц, соединениями для подачи песка и промывочным устройством, а также периодическим продувочным устройством в циклон для песка или закрытый дренаж; частота подачи песка, регистрируемая со временем, становится полезным диагностическим средством контроля песка на входе. Там, где ожидается воск, аппарат должен быть спроектирован для приема остатков поршней и с обогревом или точкой впрыска растворителя, поскольку накопление воска на каплеуловителе является частой причиной постепенной потери производительности, которую легко ошибочно диагностировать как проблему скорости.

2. Конфигурации и рекомендации по проектированию

Используются четыре конфигурации, и выбор зависит от объема жидкости, занимаемой площади и защищаемого оборудования:

• Вертикальный входной скруббер: Стандартный выбор, когда скорость газа высока по сравнению со скоростью жидкости, когда площадь ограничена, и когда жидкость представляет собой в основном туман, а не большой объем. Вертикальный аппарат имеет наименьший диаметр при заданной газовой производительности, самоочищается и хорошо справляется с контролем уровня, поскольку площадь поверхности жидкости мала, а уровень быстро реагирует на приток. Это стандартная конфигурация для скруббера на всасывании компрессора, где объем жидкости невелик, но любой унос вреден, с запасом по жидкости всего 1-3 минуты. Слабость заключается в ограниченном объеме хранения жидкости, поэтому вертикальный скруббер сам по себе не может поглотить большую порцию, и он часто сочетается либо с более крупным входным сепаратором, либо с отстойником и быстрозакрывающимся входным клапаном, который изолирует компрессор при высоком уровне.
• Горизонтальный входной сепаратор: Используется, когда объем жидкости значителен, когда необходимо поглощать порции, или когда требуется трехфазное разделение газа, конденсата и воды. Длинный горизонтальный путь обеспечивает хорошее оседание капель, большая площадь поверхности разрушает пену и высвобождает растворенный газ, а аппарат обеспечивает 3-10 минут удержания жидкости при управляемом диаметре. Для трехфазной работы контроллер уровня раздела и перегородка или карман отделяют конденсат от добываемой воды, а расчет размеров должен проверять как газовую производительность по Саудерсу-Брауну, так и время пребывания жидкости, необходимое для оседания капель воды из конденсата, обычно 5-10 минут. Недостатками являются большая занимаемая площадь, более сложный контроль уровня при движении на шельфе и необходимость распределения газа по всей длине для предотвращения образования каналов к выходу.
• Циклонные и мультициклонные входные сепараторы: Когда пространство и вес имеют первостепенное значение, как на шельфе или на платформе устья скважины, циклонный входной сепаратор использует центробежное ускорение вместо гравитации, достигая разделения в аппарате, составляющем долю его размера. Газ поступает тангенциально или через лопатки завихрителя и вращается с высокой скоростью, отбрасывая жидкость к стенке, где она стекает в зону сбора, в то время как сухой сердечник отводится через центральный направляющий вихрь. Мультициклонные установки используют десятки небольших трубок параллельно для достижения тонкой очистки в компактном корпусе. Преимуществами являются компактность и нечувствительность к движению; ограничениями являются более высокое падение давления, обычно 100-350 мм водяного столба, резкая потеря эффективности при снижении расхода ниже примерно 40-50% от расчетного, а также уязвимость к эрозии и засорению песком, поэтому они обычно защищены входным циклоном для песка или фильтром.
• Приборы, управление и стандарты: Приборы — это то, что отличает сепаратор, который защищает, от того, который просто существует. Два независимых датчика уровня с отдельными отводами, сигнализация высокого уровня и сигнализация очень высокого уровня, которая закрывает выход газа или останавливает защищаемое оборудование, являются стандартными, причем сигнализация проверяется по установленному графику. Индикатор перепада давления на каплеуловителе позволяет рано обнаружить затопление и загрязнение. Индикатор давления и индикатор температуры позволяют оператору проверить рабочую точку по отношению к кривой гидратообразования. Материалы соответствуют ASME VIII Раздел 1 с соблюдением NACE MR0175 / ISO 15156 для сероводородной среды, включая пределы твердости и термообработку после сварки. Каждый жидкостный выход должен иметь ловитель вихрей, а аппарат должен быть оснащен предохранительным устройством согласно API 520, рассчитанным на случай блокировки жидкостного выхода и пожара, плюс продувочное соединение с факелом или закрытым дренажом.

Матрица сравнения конфигураций входных газовых сепараторов

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Какова разница между входным сепаратором и уловителем порций?

О: Входной сепаратор — это аппарат, рассчитанный на стационарный расход газа с умеренным запасом по жидкости, обычно 3-10 минут, и предназначенный для удаления унесенных капель и тумана. Уловитель порций — это, по сути, большой объем труб, сконфигурированный как «палец» или «арфа», с объемом хранения 100-3000 м3, единственная цель которого — поглощать большие жидкие порции, накапливающиеся в длинном трубопроводе и выталкиваемые поршнем или изменением потока. Они являются взаимодополняющими, а не альтернативами: длинная линия сбора в холмистой местности сначала поступает в уловитель порций, который медленно поглощает основной объем в течение нескольких часов, а затем газ из уловителя порций поступает в обычный сепаратор, который удаляет оставшийся туман перед тем, как газ поступит на перерабатывающий завод. Расчет сепаратора для выполнения функции уловителя порций привел бы к аппарату непрактичного размера.

В: Почему коэффициент K для входного сепаратора ниже, чем для последующего?

О: Потому что входной поток наименее хорошо охарактеризован на установке. Потоки на последующие сепараторы прошли по крайней мере одну стадию разделения, поэтому распределение размеров капель и объем жидкости известны и стабильны, и проектировщики могут уверенно использовать стандартные значения K 0,10-0,35 м/с. Входные потоки не такие: жидкость поступает из скважин или трубопроводов в количествах и размерах капель, которые варьируются во времени, в зависимости от рельефа местности, очистки поршнем и условий окружающей среды, а штраф за недопроектирование — это повреждение дорогостоящего последующего оборудования, а не просто умеренная потеря эффективности. Более низкий коэффициент K, обычно 0,08-0,20 м/с, поэтому является преднамеренным запасом против неопределенности, и он обычно сочетается с более надежным каплеуловителем, таким как пакет лопаток вместо сетчатого фильтра, который допускает более высокие и более переменные нагрузки жидкости без затопления.

В: Что произойдет, если входной сепаратор выйдет из строя?

О: Последствия распространяются вниз по потоку и почти всегда более дорогостоящие, чем сам сепаратор. Жидкость, попадающая в контактор гликолевой осушки, вызывает пенообразование, унос гликоля и потерю осушающей способности, а средство устранения — остановка, очистка системы и замена деградировавшего гликоля. Жидкость, попадающая в молекулярное сито, необратимо повреждает адсорбент, поскольку сито необратимо загрязняется жидким углеводородом и жидкой водой, которая вызывает разрушение гранул, и постель должна быть заменена. Жидкость, попадающая в центробежный компрессор, вызывает эрозию лопаток, дисбаланс и, при сильном поступлении порции, немедленный и катастрофический отказ лопаток и уплотнений. Жидкость, попадающая в газовую турбину, вызывает нестабильность пламени, термический шок горячей секции и коррозию от соли и загрязнителей. Жидкость, попадающая в фискальный измерительный прибор, вызывает неверные измерения с прямыми финансовыми и контрактными последствиями. Эта асимметрия является причиной того, что входные сепараторы перепроектируются, а не оптимизируются.

В: Как часто следует проверять и обслуживать входной сепаратор?

О: Режим проверки зависит от риска. Приборы контроля уровня должны функционально проверяться при каждой остановке и обычно каждые 3-6 месяцев в процессе эксплуатации, поскольку именно их отказ напрямую приводит к уносу. Каплеуловитель проверяется внутри при каждом капитальном ремонте, обычно каждые 3-5 лет, на предмет загрязнения, коррозии, смещения и повреждений, и заменяется при наличии более чем умеренной деградации. Перепад давления на аппарате и на любых фильтрующих элементах должен постоянно отслеживаться, причем растущий тренд должен вызывать расследование, а не плановый ответ. Накопление песка контролируется путем периодической подачи песка с частотой, определяемой наблюдением, от ежечасно в песчаной скважине до ежемесячно в чистой, а дно аппарата и выходное сопло проверяются на эрозию и истончение на границе песок-вода. Внутри аппарат осматривается на предмет истончения стенок, питтинга, эрозии на входном устройстве и трещин в сварных швах, с интервалом, установленным программой оценки рисков в соответствии с API 580 или эквивалентным местным стандартом, и с более коротким интервалом в сероводородной или эрозионной среде.