Применение вихревого эффекта для подготовки нефти и конденсата к дальнему транспорту

Применение вихревого эффекта для подготовки нефти и конденсата к транспорту.

Вихревые потоки и явления, возникающие в природе, обладают колоссальной энергией и представляют определенный научный интерес уже более ста лет. Пожалуй, одной из первых публикаций, посвященных математическому исследованию теории вихрей, является работа французского физика Пуанкаре [88].

С тех пор вихревое движение является предметом пристального изучения многих ученых, практикующих в различных отраслях науки и техники [73, 44, 18, 85].

Условимся называть «вихревым» такое движение среды, при котором оно вращается вокруг некоторой оси и одновременно перемещается вдоль этой же оси [16].

При вихревом течении газов в таком случае наблюдается эффект РанкаХильша проявляющийся в термическом разделении потока на горячий и холодный [8, 3, 70]. Если рабочим телом при вихревом движении является газонасыщенная жидкость или иная двух — или трехфазная система, то можно наблюдать фазовое разделение потоков [92, 114].

Для полноты представления применения различных вихревых устройств, приведем лишь кратко области их практического применения [72, 100, 106, 74]. Необходимо отметить, что по конструкции вихревые устройства можно грубо подразделить на вихревые трубы, гидроциклоны и вихревые камеры.

В данном разделе мы не будем конкретно вдаваться в описание конструкций и принципов работы отдельных устройств, а лишь кратко перечислим для чего или где они применяются. Можно смело утверждать, что нет ни одной отрасли народного хозяйства где бы не использовался вихревой эффект в различных производственных процессах.

Он используется для очистки газов от пыли, газов, выбрасываемых в атмосферу. Меньшие по размерам вихревые устройства выполняют роль классификаторов порошков по размерам или по весу с помощью газовых потоков. Вихревые устройства широко используются для интенсификации процессов горения в топках котлоагрегатов и форсунках двигателей, применяются в металлургии при циклонной переработке медного и полиметаллического сырья, центробежном литье, в химической технологии для реализации окислительно-восстановительных реакций, в медицинской промышленности для получения особо чистых компонентов и, наконец, в нефтехимической, газовой и нефтяной промышленности для подготовки сырой нефти и конденсата к транспортировке и дальнейшей переработке на газо и нефтеперерабатывающих заводах.

К сожалению, применение гидроциклонов в нефтегазовой промышленности насчитывает не более пятидесяти лет, чего не скажешь о вихревых трубах. Об интенсивности научных исследований и масштабах внедрения вихревых труб свидетельствует тот факт, что по данным [117] по этой теме опубликовано свыше 2000 тысяч книг, монографий, научных статей и патентов на изобретения. Анализ патентно-технической литературы по данной проблеме свидетельствует, что подавляющее число изобретений приходится на долю отечественных разработок, причем от зарубежных их отличает широта спектра использования вихревых труб в самых различных отраслях экономики.

В настоящее время все более пристальное внимание уделяется вопросам оптимизации технических устройств, обеспечивающих подготовку нефти и газоконденсата. И это связано не только с внутренними производственными задачами, но и с перспективой развития всего нефтегазового комплекса страны.

Необходимо отметить несколько аспектов, которые вынуждают активизировать научно-производственные изыскания в этой области.

В первую очередь, в последнее время все больше говорят о стратегическом значении для нашей страны запасов углеводородного сырья континентального шельфа. Ресурсы углеводородов, сосредоточенные на морских месторождениях, позволяют нам гарантированно обеспечить внутренние потребности в энергоносителях и их экспорта на десятки ближайщих лет. Для примера достаточно привести лишь одну цифру. Начальные извлекаемые ресурсы шельфа наших морей превышают 100 млрд. т. условного топлива. Других подобных территорий в Российской федерации нет [58].

Во вторых, по прежнему объемы потребления нефти, газа и других энергоносителей растут опережающими темпами. По прогнозным оценкам к 2030 году Россия будет потреблять 285 млн. т. нефти и 595 млн. т. у.т. [20]. В третьих, потери нефти и газоконденсата при добыче, подготовке и транспортировке углеводородов при огромных объемах добычи и переработки, приносят колоссальные убытки, исчисляемые млн. рублей.

По разным оценкам потери газа и легких фракций углеводородов в масштабах страны в конце 80-х годов оценивались в 80 млн. т. нефти в год [107].

Не лучшим образом обстоят дела и в нефтяной промышленности зарубежных стран. Возрастающие объемы использования нефти и газа в мировой экономике и требования улучшения охраны окружающей среды обусловили необходимость улавливания паров углеводородов на всем пути движения нефти от промыслов до потребителя и сокращения ее потерь до минимума. В 1920 г. общие потери углеводородов рубежом достигали 10%, в 1933 г. -6%, в 1962 г. -3% добытой нефти. До недавнего времени только в США стоимость теряемых легких фракций достигала 35 млн долл. / в год, а во всем мире этот показатель превышал млрд. долларов.

Необходимо учитывать, что потеря легких фракций это не просто количественная потеря нефти, но это и ухудшение экологической обстановки и дополнительные экономические потери в будущем, связанные со снижением качества получаемых из нефти бензина.

Вот почему многие страны обращают на эту проблему особое внимание. Наилучших результатов добилась в этом направлении Швеция. Так за последние десять лет потребление нефти шведской экономикой сократилось наполовину при одновременном росте промышленного производства.

Серьезным толчком к скорейшему переходу к энергосбережению послужили для нее рост цен на нефть 1974 и особенно 1979гг. Процесс экономии энергии коснулся всех областей техники, но, главным образом, теплогенераторов, теплообменников и изоляционных материалов. Главная задача состояла в предотвращении потерь различных видов энергии, ее аккумуляции и обеспечении вторичного использования. К 1985 г. по национальному хозяйству в целом потребление нефти сократилось на 40% по сравнению с уровнем 1974 г. [105].

Из вышеперечисленного следует, что существует проблема научно-технического характера, суть которой заключается в следующем.

Создание высокотехнологичных, малогабаритных, экономичных, неэнергоемких аппаратов и устройств, хорошо адаптирующиеся к различным технологическим условиям, легко вписывающимся в различные технологические комплексы. Такое оборудование особенно необходимо при освоении новых месторождений в районах вечной мерзлоты и прибрежных шельфов акваторий морей, т. е., там, где наряду с другими проблемами остро стоит вопрос рационального использования производственных площадей. Достаточно отметить, что с целью экономии места на морских буровых платформах, за рубежом создан глубоководный гравитационный сепаратор, размещенный на глубине 320 метров [109].

Решение этой задачи может быть достигнуто на пути рационального использования энергии вихревого потока нефти или газоконденсата. Несмотря на широкое применение вихревых эффектов в газовых потоках, его использование для дегазации жидких углеводородов сдерживается недостаточной изученностью процесса фазового разделения.

В связи с этим, исследование этого процесса в вихревом потоке представляет теоретический интерес, связанный с аналитическим изучением термо и гидрогазодинамических процессов, протекающих при закручивании газожидкостных смесей. Получение аналитических зависимостей, связывающих физические свойства жидкости, гидродинамические параметры ее течения и конструктивные размеры вихревых устройств, позволит сконструировать новые и оптимизировать технологические режимы работы уже существующих установок. Это даст возможность определить и алгоритм автоматизации функционирования установки в целом.

При исследовании разделительных процессов особое значение имеет выбор критерия оптимальности, даже при решении такой не сложной по числу компонентов задачи как дегазация жидкости (нефть — газ, конденсат — газ). Обычно работа устройства оценивается по нескольким критериям. Однако с постановкой задачи оптимального автоматического управления общий критерий эффективности становится технически необходимым. Продолжающаяся дискуссия о критериях разделительных процессов свидетельствует лишь о том, что единого критерия оценки эффективности разделительных процессов до сих пор не найдено, и о необходимости применения единого критерия при теоретическом анализе и аналитическом описании конкретных процессов [22].

Имеется большое количество разделительных процессов, основанных на физических, химических и термодинамических свойствах элементов и систем: гравитация и закручивание — по плотности, флотация — по смачиваемости, магнитная и электрическая сепарация, жидкостная экстракция, диффузионное разделение и т. д. Разделительные процессы применяются в самых разных отраслях промышленности металлургической, нефтяной, химической и других. Независимо от метода и объекта разделения будь то углеводороды, руда или газы, промышленные разделительные процессы обладают рядом общих закономерностей и характеристик, позволяющих применять к их описанию одни и те же математические методы. Благодаря этому, многие достижения и приемы, разработанные и применяемые в одной из отраслей промышленности, используются в других отраслях.

В настоящее время предложено имеющиеся критерии разделения классифицировать на следующие группы: технологические, термодинамические, кинетические, статистические, экономические, автоматического управления, природной разделяемости, аппаратурные [82], которые рекомендуют применять для разных технологических процессов.

Из выше перечисленных критериев для анализа процессов дегазации жидкости применяется термодинамический. Он был апробирован на разделении летучих смесей, газов и легких углеводородов. Разделение таких стабильных и однородных по свойствам элементов, зависит только от совершенства разделительных устройств и энергии, затраченной на процесс разделения. В конечном счете, энергия, затраченная на единицу продукции, характеризует совершенство аппарата. Кроме того, энергетические расчеты подчинены законам термодинамики.

Поэтому, при изучении фазового разделения газожидкостных смесей в вихревой камере, проводилось аналитическое описание процессов разделения смеси с термодинамической точки зрения.

С другой стороны работу установки многие исследователи рекомендуют проводить с оценки технологических критериев [22], формулы расчета которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Односторонние критерии технологической эффективности разделения.

Показатели Обозначения.

Качество обогащенного продукта (концентрата) [63] Р.

Содержание ценного компонента в отходах [63].

Относительная концентрация ^ а = Р -/>= ° 1-а /-Р /-9.

Извлечение ценного компонента е=— а.

Потери в отходах 1 са-уР6?-у-и, а а.

Выход обогащенного продукта У.

Степень сокращения у ае.

Степень обогащения • Ре. /= — = — = /? а у.

Степень обогащения с учетом теоретически возможного [63]. Р-а Руа.

Продолжение таблицы 1.

Коэффициент селективности [108] s=.

Эффективность разделения [108] i JL"P г, а 0 3.

Коэффициент селективности (разделения) [108] рг-«- в (1-ю 1 8(7-рR (ls).

Коэффициент разделения [2] Е 2 а (7-рR.

Коэффициент обогащения [89] Е = Е,~ 1= Р" Э 9(7-PJ.

То же [2] е=Е2-Ы р-а, а (1-V) где: а «содержание ценного компонента в исходном материалер — то же, в обогащенном продукте (концентрате, штейне, возгоне, экстракте, дистилляте и т. д.) — & - то же, в обедненном продукте (хвостах, отходах, шлаке и т. д.) — рг — теоретически предельно возможное содержание ценного компонентау — выход обогащенного продукта- (1-у) — выход обедненного продуктае- извлечение ценного компонента.

Для оценки эффективности работы вихревой камеры мы использовали степень дегазации, определяемую как отношение остаточной газонасыщенности жидкости ^к) к ее первоначальной равновесной газонасыщенности ^н):

8 — Чк/Чъ.

Существует еще один объективный фактор, который говорит о необходимости аналитического исследования механизма дегазации с позиций термодинамического состояния двухфазной смеси. Это огромное количество разновидностей конструкций аппаратов (сепараторов гравитационного типа, гидроциклонных установок), отличающихся друг от друга незначительными конструктивными изменениями. Создается впечатление, что конструкторы при проектировании подобных аппаратов пытаются управлять гидродинамическими и термодинамическими параметрами работы установки чисто эмпирически и подстроится под необходимый технологический режим ее работы путем внесения конструктивных изменений. Этому факту есть вполне объективное объяснение. Процессы фазового разделения очень много изучались экспериментально и на основании опытных данных были получены эмпирические зависимости, как для определения конструктивных размеров сепараторов, так и для расчета основных технологических параметров [48, 57, 77, 59, 60]. Были проведены обширные теоретические исследования по изучению гидродинамических процессов, протекающих в различных установках [59, 81, 94, 32, 23, 121]. С другой стороны, литературы, где бы анализировались термодинамические условия, определяющие протекание конкретного технологического процесса в конкретной установке с максимальной эффективностью нам обнаружить не удалось. Эта задача сложная, но ей необходимо заниматься, поскольку решение ее позволит создать аппараты нового поколения.

Цель работы — повышение эффективности процесса фазового разделения в вихревом потоке и выделение условий нарушения термодинамической устойчивости газожидкостной смеси, приводящих к интенсивному газовыделению.

Задачи исследования.

1. Изучить механизм фазового разделения системы жидкость-газ в вихревом потоке.

2. Исследовать термодинамический критерий перевода жидкости из стабильного в метастабильное состояние с расчетом критической величины параметра дегазации.

3. Разработать гидродинамическую модель течения жидкости в вихревой камере.

4. Разработать модель и методику расчета режимно-технологических и конструктивных параметров вихревой камеры.

Актуальность.

Одной из основных проблем использования нефти и конденсата, как источника углеводородного сырья, является необходимость его дегазации. При этом процесс не должен сопровождаться большими потерями фракций, обладающих высокой степенью летучести, значительно обедняющей жидкую фазу.

В настоящее время сокращение потерь жидкой фазы решается путем применения многоступенчатых методов дегазации с обязательным плавным изменением давления в широком диапазоне. Использование объемных гравитационных трапов позволяет частично решать эти задачи. Однако, низкая скорость движения газа в сочетании с высокой металлоемкостью и, главное, с невысокой степенью дегазации, делают эти методы малоэффективными. Поэтому разработка новых конструкций сепараторов и теоретическое изучение процесса дегазации с целью повышения его эффективности является актуальной задачей представляет научный интерес и направлено на решение важной народнохозяйственной проблемы.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика расчета термодинамической устойчивости раствора в вихревом потоке и условия перевода системы в метастабильное состояние.

2. Получена гидродинамическая модель течения жидкости и методика расчета технологических и конструктивных параметров вихревой камеры.

3. Получены аналитические уравнения для расчета режима лавинного нарастания выделения газа при дегазации жидкости в вихревой камере.

Апробация работы и публикации.

Диссертационная работа выполнена в рамках Научно-технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Научные исследования высшей школы в области транспорта», тема № гр. 01. 200 305 220 «Разработка комплексных методов повышения надежности и эффективности работы системы сбора, подготовки и транспорта углеводородов».

Основные положения диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень 2005 г.), международной научно-практической конференции «Интерстрой-мех» (Тюмень 2005 г.), на 1,2,3 — школах семинарах «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника» (Тюмень 2005;2007 гг., научно-технической конференции, посвященной 50-летию ТатНИПинефть (Бугульма 2006 г.), 14 научнопрактическая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири-2006» (Тюмень 2006 г.), международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2006» (Уфа 2006 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Определен термодинамический критерий перевода жидкости из стабильного в метастабильное состояние — сжимаемость и получено выражение для расчета величины критического перепада давления, обеспечивающего условие лавинного газовыделения.

2. Разработана методика расчета рабочего перепада давления в вихревой камере, с учетом ее геометрических размеров, гидродинамических параметров потока и физических свойств флюида.

3. Получена гидродинамическая модель течения жидкости в вихревой камере и аналитическая зависимость интенсивности газовыделения от геометрических параметров вихревой камеры и скорости потока.

4. Теоретически обоснован и экспериментально доказан эффект лавинного газовыделения в подводящем сопле, что обуславливает протекание процесса дегазации в вихревой камере по гетерогенному, безбарьерному механизму.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Процесс подготовки нефти и конденсата к транспорту, хранению и переработке включает ряд технологических операций: дегазация, деэмульсация, стабилизация и другие. Их количество и последовательность выполнения связаны с физическими свойствами и фазовым составом обрабатываемой жидкости.

В работе подробно изучен процесс дегазации, проходящий под действием возмущающего поля центробежных сил, возникающего в вихревой камеры.

Проведенный анализ технической литературы, конструкций, применяемых гидроциклонных нефтегазосепараторов, опыт их промышленной эксплуатации и сравнение с вихревыми камерами, выявил следующие недостатки работы гидроциклонов, как дегазаторов нефти и конденсата:

1. Процесс отделения газа от нефти происходит в основном не в гидроциклонной головке, а в технологической емкости — сепараторе. Роль гидроциклонных головок сводится к равномерному распределению газонефтяной смеси по всей площади технологической емкости.

2.Отсутствие на входе гидроциклона устройства, обеспечивающего пленочный режим течения потока, приводит к тому, что вращательное движение в аппарате получают только слои, находящиеся непосредственно около стенки. Слои потока, расположенного ближе к центру гидроциклона, имеют прямолинейное движение и соударяются с вращающимися слоями, что приводит к дроблению потока и значительному падению эффективности работы гидроциклона.

3.Высокая скорость ввода жидкости в свободное пространство сепаратора создает турбулизованную структуру, вспенивание потока, что с одной стороны облегчает выделение растворенного газа, а с другой принуждает принимать определенные меры борьбы с образовавшейся пеной.

4. Образование парогазового шнура, являющегося признаком нормальной работы гидроциклона, приводит к значительному уносу вместе с отводимым газом жидкой фазы.

Наряду с этим, по сравнению с гравитационными сепараторами, гидроциклоны и вихревые камеры характеризуются рядом преимуществ:

Простота конструкции, изготовления, монтажа и обслуживания;

Большой срок эксплуатации в связи с отсутствием движущихся частей и механизмов;

Использование энергии движущегося потока;

Меньшие габариты, позволяющие размещать данную технику на морских платформах и на насыпных площадках в условиях заболоченной местности Западной Сибири;

Меньшая металлоемкость (по предварительным оценкам масса вихревой установки, по своим технологическим параметрам сопоставимой с сепараторами типа НГС, меньше в 10. .13 раз).

Однако проведенные исследования позволили выявить ряд технологических преимуществ вихревой камеры перед гидроциклонами, реализуемых благодаря ее конструкции, защищенной патентами РФ [26, 27] и разработанной теорией аналитического расчета величины параметров работы, а именно:

Возможность оптимизации процесса работы оборудования в промысловых условиях при различных режимах;

Более полное использование внутренней полости вихревой камеры и интенсификация процесса дегазации, сокращение времени пребывания газонасыщенной жидкости в вихревой камере по сравнению с другими устройствами;

Возможность получения на выходе из установки продукции, обладающей вполне определенными свойствами, и соответствующей требованиям, предъявляемым к различным видам транспортировки углеводородного сырьяэкологич-ность, экономичность и технологичность оборудования, позволяющяя утилизировать газонасыщенные смеси, исключая при этом потери легких фракций по компонентам путем применения ступенчатой дегазации;

Проведенные теоретические исследования всех стадий процесса дегазации позволили описать механизм фазового разделения с позиций однофазного подхода при котором достаточно знать свойство одной материнской фазы флюида с растворенным в нем газом. Это дало возможность отождествить среднеквадратичную флуктуацию плотности с появлением зародыша газовой фазы. На основе приближенного решения уравнения Навье-Стокса и уравнения непрерывности было получено решение, описывающее установившееся вращательное движение жидкости в вихревой камере. Анализ уравнения показал, что физической причиной нарушения устойчивости однородного состояния является увеличение сжимаемости двухфазной смеси. В результате увеличения сжимаемости бинарная система приближается к области бинодали в которой осуществляется плавный переход термодинамических свойств из стабильного в метастабильное состояние.

С позиции флуктуационного подхода процесс дегазации можно описать, как динамический процесс. Это позволяет использовать для анализа фазового перехода стахостические уравнения. В результате было получено выражение для расчета критического давления, обеспечивающего протекание лавинного процесса дегазации. В нем учитываются не только физические свойства жидкости и гидродинамические параметры течения, но и конструктивные размеры вихревой камеры.

Хорошее совпадение результатов аналитического описания и экспериментального исследования кинетики дегазации свидетельствует о корректности принятых допущений и правильности математических выводов.

Проведенные исследования процесса дегазации двухфазных смесей в вихревых устройствах позволят разработать и применить на практике аппараты нового поколения, которые более эффективно реализует все преимущества вихревого движения как технологического приема, обеспечивающего более полную дегазацию нефти и конденсата.

На его основе может быть создана принципиально новая технология получения легких углеводородов на стадии подготовки нефти и конденсата к транспортировке или к глубокой переработке.

Обладая большими адаптивными возможностями, они могут быть встроены в любое место технологической цепочки подготовки нефти и конденсата и решать задачи не только отбора растворенного в нефти газа, но и легких фракций углеводородов. Это в свою очередь позволит повысить качество товарной нефти и производимой из нее нефтепродуктов, снизит потери и уменьшит количество вредных выбросов в атмосферу и плату предприятиями штрафов за загрязнение окружающей среды.

Результаты опытно-промышленных испытаний и расчеты экономической эффективности (Приложение 2) использования вихревых камер при подготовке нефти, проведенные в ТПП «Урайнефтегаз» ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» показали высокую эффективность их использования и малый срок окупаемости.