Máy tách khí đường ống là gì: Mục đích, Kích thước và Ứng dụng đường ống

Thiết bị tách khí đường ống là gì: Mục đích, Kích thước và Ứng dụng đường ống

Trả lời câu hỏi cốt lõi: Thiết bị tách khí đường ống là gì? Thiết bị tách khí đường ống là một bình áp lực được lắp đặt tại một điểm xác định dọc theo hệ thống truyền tải hoặc thu gom khí để loại bỏ chất lỏng và chất rắn tự do khỏi dòng khí chảy, sao cho khí đáp ứng các thông số kỹ thuật hợp đồng và không làm hỏng thiết bị. Nó được tìm thấy ở bốn vị trí: tại đầu hút và đầu xả của trạm máy nén, tại các trạm đo lường tài chính, tại điểm vào thành phố và điểm nhận, và ở hạ lưu của bộ thu hồi pig. Việc xác định kích thước tuân theo phương trình Souders-Brown với hệ số K từ 0,08-0,25 m/s tùy thuộc vào hướng và loại bộ tách sương mù, với thời gian giữ chất lỏng từ 3-15 phút và mục tiêu mang theo dưới 0,1 gallon Mỹ trên một triệu feet khối tiêu chuẩn. Áp suất truyền tải từ 40-100 bar làm cho bình chứa có thành dày và đắt tiền, nhưng bộ tách chỉ chiếm một phần nhỏ chi phí so với máy nén, đường đo hoặc đường ống mà nó bảo vệ.

1. Vị trí lắp đặt và lý do lắp đặt thiết bị tách khí đường ống

Mỗi vị trí trên đường ống có một nguồn chất lỏng khác nhau và một thiết bị khác nhau có nguy cơ bị hư hại:

• Đầu hút và đầu xả của trạm máy nén: Máy nén ly tâm hoặc máy nén pittông là thiết bị đắt tiền nhất và nhạy cảm với chất lỏng nhất trên đường ống, vì vậy bộ tách được lắp đặt ở cả hai phía. Ở phía hút, bộ tách phải giữ lại bất kỳ chất lỏng nào đến từ thượng nguồn, vì một luồng chất lỏng lớn đi vào máy nén ly tâm sẽ gây hư hỏng cánh quạt và phớt ngay lập tức và ít nhất là mất cân bằng nghiêm trọng. Do đó, bộ tách hút có kích thước nhỏ gọn, thẳng đứng, chỉ giữ chất lỏng trong 1-3 phút nhưng có bộ ngắt mức cao-cao nhanh chóng và thường có van đầu vào đóng nhanh. Ở phía xả, nhiệm vụ thay đổi: khí nóng, thường là 50-90°C sau khi nén, và một phần dầu bôi trơn của máy nén và bất kỳ phân đoạn hydrocarbon nặng hơn nào ngưng tụ khi nguội đi, vì vậy bộ tách xả có bộ làm mát sau sẽ loại bỏ cả hydrocarbon lỏng và dầu bôi trơn trước khi khí đi vào đường ống.
• Trạm đo lường tài chính: Nơi khí thay đổi quyền sở hữu, độ chính xác đo lường có hậu quả tài chính trực tiếp, và chất lỏng là một trong những nguồn sai số đo lường lớn nhất. Đồng hồ đo lưu lượng bằng lỗ (orifice meter) có chất lỏng sẽ đo sai vì dòng chảy hai pha làm thay đổi hệ số xả và vì chất lỏng tích tụ trong các đường ống xung lực và trên đĩa đo; đồng hồ đo siêu âm bị suy giảm tín hiệu và đọc sai do các giọt chất lỏng và màng chất lỏng trên bề mặt đầu dò. Do đó, bộ tách trạm đo lường được chỉ định với bộ tách lọc hoặc bộ phận kết tụ, loại bỏ các giọt đến 0,3-1 micromet, và đường đo được lắp đặt ở hạ lưu với một phần cánh hướng dòng và chiều dài thẳng cần thiết ở thượng nguồn. Nhiều hợp đồng yêu cầu rõ ràng một bộ tách ngay phía thượng nguồn của đồng hồ đo và quy định hàm lượng chất lỏng tối đa.
• Cổng thành phố, điểm nhận và điểm giao: Tại điểm khí đi vào hệ thống phân phối hoặc chuyển giao giữa các nhà khai thác, bộ tách đóng vai trò giám sát và bảo vệ. Nó loại bỏ bất kỳ chất lỏng và chất rắn nào tích tụ trong hệ thống thượng nguồn, bảo vệ thiết bị điều chỉnh áp suất và bảo vệ quá áp, và cung cấp điểm lấy mẫu và điểm đo chất lỏng để bất kỳ chất lỏng nào nhận được đều có thể được tính toán. Các trạm này hầu như luôn bao gồm bộ tách lọc thay vì bộ tách đơn giản, vì hệ thống phân phối rất nhạy cảm với dầu máy nén và các hạt rắn mịn, làm tắc nghẽn bộ điều chỉnh và thiết bị tạo mùi. Nơi khí được tạo mùi, việc tách tốt rất quan trọng vì một lý do thứ hai: chất lỏng hấp thụ và giải hấp chất tạo mùi không đều, do đó việc tách kém sẽ tạo ra mức độ mùi không nhất quán ở hạ lưu.
• Bộ thu hồi pig và quản lý luồng chất lỏng: Việc làm sạch đường ống truyền tải bằng pig sẽ đẩy chất lỏng tích tụ về phía trước pig, và một hoạt động làm sạch bằng pig duy nhất có thể đưa 5-500 m3 chất lỏng đến trạm nhận trong một khoảng thời gian ngắn. Một bộ tách thông thường không thể xử lý được điều này; cấu hình tiêu chuẩn là bộ thu gom luồng chất lỏng chuyên dụng, thường là một dãy ống đường kính lớn theo kiểu ngón tay hoặc đàn hạc với dung tích 100-3.000 m3, sau đó là một bộ tách thông thường để làm sạch khí. Bộ thu gom luồng chất lỏng phải được xác định kích thước từ mô phỏng dòng chảy tạm thời của đường ống cụ thể chứ không phải từ tốc độ ổn định, vì tốc độ đến phụ thuộc vào địa hình, tốc độ pig và lượng chất lỏng tích tụ. Các cơ sở nhận cũng cần một tín hiệu pig, một đường vòng cho luồng khí ban đầu, và một hệ thống xử lý chất lỏng có thể chấp nhận luồng chất lỏng mà không gây quá áp cho bể chứa hạ lưu.

2. Xác định kích thước và vận hành thiết bị tách khí đường ống

Ba quyết định xác định xem bộ tách có hoạt động hiệu quả trong toàn bộ phạm vi hoạt động của đường ống hay không:

• Xác định kích thước theo phạm vi dòng chảy: Một bộ tách đường ống phải hoạt động tốt từ ngày đầu tiên và hai mươi năm sau, và hai trường hợp này thường trái ngược nhau. Đầu đời của một đường ống, dòng chảy ở mức thiết kế hoặc gần thiết kế và bình chứa bị giới hạn về dung tích khí, vì vậy tiêu chí Souders-Brown đặt ra đường kính. Sau đó, khi sản lượng mỏ giảm hoặc khi đường ống hoạt động ở áp suất thấp hơn, vận tốc khí giảm và bình chứa bị quá khổ, điều này nghe có vẻ an toàn nhưng tạo ra một vấn đề thực sự: ở vận tốc rất thấp, bộ tách sương mù hoạt động dưới phạm vi hiệu quả của nó, và việc tái cuốn các giọt từ bề mặt chất lỏng có thể làm tình hình tồi tệ hơn. Do đó, các nhà thiết kế kiểm tra tối thiểu ba trường hợp: dòng chảy tối đa, dòng chảy bình thường và dòng chảy giảm tải tối thiểu, thường là 20-30% thiết kế, và họ chọn bộ tách sương mù có phạm vi hiệu quả bao phủ cả ba, thường là bộ tách cánh quạt thay vì bộ lọc lưới vì lý do đó.
• Tách sương mù và bộ tách lọc: Lực hấp dẫn một mình không đủ để loại bỏ chất lỏng cho dịch vụ đường ống. Bộ lọc lưới dây đan loại bỏ các giọt trên 5-10 micromet với hiệu suất lên đến 99,9% với tổn thất áp suất chỉ 25-75 mm H2O, và đủ cho nhiệm vụ chung. Khi yêu cầu khắt khe hơn, bộ tách lọc kết hợp giai đoạn đầu là các bộ phận lọc kết tụ, thu giữ các giọt mịn và hợp nhất chúng thành các giọt lớn hơn, với giai đoạn thứ hai là bộ tách cánh quạt loại bỏ các giọt đã được làm lớn, đạt được khả năng loại bỏ đến 0,3-1 micromet với hiệu suất 99,98%. Kỷ luật vận hành mà điều này đòi hỏi là giám sát áp suất vi sai: các bộ phận có thể thay thế, chúng bị tắc bởi chất rắn và dầu máy nén, và áp suất vi sai tăng lên qua giai đoạn đầu là tín hiệu để thay đổi chúng trước khi chúng hỏng hoặc trước khi vận tốc tăng lên qua các bộ phận còn lại phá hủy hiệu quả của chúng.
• Kiểm soát mức, xử lý chất lỏng và an toàn: Việc loại bỏ chất lỏng là nơi các bộ tách đường ống thường gặp sự cố trong quá trình vận hành. Bình chứa cần hai bộ truyền mức độc lập, một báo động mức cao và một bộ ngắt mức cao-cao để bảo vệ thiết bị hạ lưu thay vì chỉ thông báo sự cố; trên bộ tách hút máy nén, bộ ngắt thường tắt máy nén. Van xả phải được xác định kích thước cho tốc độ chất lỏng tối đa, không phải tốc độ trung bình, và phải chống ăn mòn, vì chất lỏng được sản xuất mang theo cát và vì van tiết lưu qua tổn thất áp suất cao sẽ bị ăn mòn nhanh chóng; van điều khiển mức có lớp lót cứng hoặc van xả bật-tắt chuyên dụng với công tắc mức riêng biệt là các giải pháp thông thường. Chất lỏng phải đi đến đâu đó, thường là bể chứa nước thải hoặc bể chứa condensate có thu hồi hơi nước thay vì bể hở, và bình chứa phải có thiết bị xả áp theo API 520 được xác định kích thước cho trường hợp đầu ra chất lỏng bị chặn và cho trường hợp cháy.

Bảng so sánh vị trí thiết bị tách khí đường ống

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

H: Sự khác biệt giữa thiết bị tách khí đường ống và thiết bị tách sản xuất là gì?

A: Thiết bị tách sản xuất xử lý chất lỏng giếng khoan tại mỏ, nơi tốc độ khí, dầu và nước dao động theo hành vi của hồ chứa và nơi tỷ lệ chất lỏng có thể lớn và khó lường; nó thường là bình chứa ba pha có tràn và bộ điều khiển giao diện, và nó có thể được theo sau bởi bộ gia nhiệt hoặc bộ khử nước tĩnh điện. Thiết bị tách khí đường ống xử lý khí đã được xử lý gần đạt chất lượng bán hàng, nơi chất lỏng là một phiền toái hơn là một sản phẩm: nước ngưng tụ và hydrocarbon, dầu bôi trơn máy nén, và chất rắn và cặn từ thành ống. Nó thường là bình chứa hai pha với thể tích chất lỏng nhỏ hơn nhiều, nó được xác định kích thước chủ yếu cho vận tốc và tách sương mù hơn là giữ chất lỏng, và nó ở đó để bảo vệ máy nén, đồng hồ đo hoặc hệ thống hạ lưu thay vì tách một dòng sản xuất thành các pha có thể bán được.

H: Tại sao chất lỏng trong đường ống khí lại là vấn đề lớn như vậy?

A: Bốn lý do, mỗi lý do có một hậu quả riêng biệt. Nó làm hỏng thiết bị: chất lỏng đi vào máy nén ly tâm sẽ làm mòn và mất cân bằng rôto, và một luồng chất lỏng lớn có thể phá hủy nó ngay lập tức. Nó làm sai lệch phép đo: dòng chảy hai pha qua đồng hồ đo lưu lượng bằng lỗ hoặc đồng hồ đo siêu âm tạo ra sai số vài phần trăm, và tại trạm đo lường tài chính, đó là tổn thất tài chính trực tiếp và liên tục với các hậu quả theo hợp đồng. Nó làm giảm công suất: chất lỏng tích tụ ở các điểm thấp của đường ống làm giảm diện tích dòng chảy hiệu quả và tăng tổn thất áp suất, do đó đường ống cung cấp ít khí hơn với cùng một công suất nén. Và nó tạo ra các vấn đề vận hành: chất lỏng đóng băng hoặc tạo thành hydrat tại các điểm giảm áp, chúng làm tắc nghẽn bộ điều chỉnh và thiết bị tạo mùi, và chúng thúc đẩy ăn mòn bên trong, đặc biệt là nơi có nước và khí axit.

H: Thiết bị tách khí đường ống được xác định kích thước như thế nào?

A: Theo phương trình Souders-Brown, v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V), cho biết vận tốc khí tối đa cho phép mà trên đó chất lỏng bị cuốn theo. Hệ số K cô đọng hình học bình chứa và hiệu suất bộ tách sương mù thành một số thực nghiệm: thường là 0,08-0,15 m/s đối với bộ tách thẳng đứng có bộ lọc lưới, 0,15-0,25 m/s đối với bình chứa ngang hoặc bộ tách cánh quạt, và cao hơn nữa với đầu vào dạng xoáy. Đường kính bình chứa được tính từ tốc độ dòng khí ở điều kiện thực tế, chia cho vận tốc cho phép đó. Sau đó, nó được kiểm tra với yêu cầu xử lý chất lỏng, thường là giữ chất lỏng 3-15 phút tùy thuộc vào nhiệm vụ, và với trường hợp giảm tải ở 20-30% lưu lượng thiết kế. API 12J cung cấp khuôn khổ ngành, và nơi có khả năng xảy ra luồng chất lỏng lớn, phép tính trạng thái ổn định phải được bổ sung bằng mô phỏng dòng chảy tạm thời.

H: Thiết bị tách khí đường ống cần bảo trì những gì?

A: Bốn hoạt động. Kiểm tra thiết bị đo mức, thường là 3-6 tháng một lần và mỗi lần dừng máy, vì hệ thống đo mức là thứ thực sự ngăn ngừa cuốn theo và là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra sự cố chất lỏng. Theo dõi áp suất vi sai qua bộ tách sương mù hoặc các bộ phận lọc, phát hiện sớm tình trạng ngập nước và tắc nghẽn, và thúc đẩy việc thay thế bộ phận trước khi hiệu suất bị mất. Kiểm tra bên trong mỗi lần đại tu lớn, thường là 3-5 năm một lần, kiểm tra thiết bị đầu vào, bộ tách sương mù xem có bị dịch chuyển và hư hỏng không, thành bình chứa xem có bị ăn mòn và mài mòn không, và vòi ra và bộ phá xoáy xem có bị tắc nghẽn không. Và kiểm tra xử lý chất lỏng, xác minh rằng van xả đóng kín và hoạt động đúng cách và tuyến xử lý chất lỏng không bị chặn, vì một bộ tách có bộ điều khiển mức hoạt động và đầu ra bị chặn sẽ đầy nhanh như một bộ tách không có bộ điều khiển nào cả.