Исследование работы газосепаратора НГС6-2200 К1М1 с усовершенствованием конструкции-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Скорость разделения газожидкостной среды можно понизить за счет увеличения свободного (живого) сечения устройства или увеличения попереч-ного сечения аппарата (причем последнее приводит к увеличению удельной металлоемкости оборудования), а также за счет равномерного распределения газожидкостного потока по сечению аппарата.
Можно выделить основные критерии для проектирования сепараторов:
– минимальная скорость газожидкостной среды в поперечных сечениях аппарата, чем достигается минимальный унос газожидкостной среды;
– максимальное время пребывания фаз в сепараторе, что способствует достижению равновесия между газом и жидкостью;
– равная скорость по всему поперечному сечению аппарата, чем достига-ется его максимальная производительность и минимальный унос газожидкост-ной среды;
– равная скорость по ходу движения газожидкостной среды в корпусе от входа до выхода;
– постоянство температур и давлений в аппарате по ходу движения га-зожидкостной среды;
– минимальный перепад давлений в сепараторе без скачкообразных из-менений скоростей, живых сечений по длине аппарата;
– максимально развитая поверхность контакта фаз;
– структурирование пространства на макро- и микроструктуры для раз-дель-ного течения газожидкостных потоков;
– безотрывный вариант течения потока между сепарационными секция-ми;
– пористость микроструктур с геометрическими размерами;
– периодическое изменение направления движения газожидкостной сре-ды (волновое течение);
– площадь живого сечения сепарационных секций, близкая к площади по
перечного сечения аппарата;
– минимальное количество ступеней сепарации с изменяющимися скоро-стями.
Очевидно, что наиболее эффективным приемом повышения качества сепа-рации является прием снижения его скорости.
Скорость сепарации можно понизить за счет увеличения свободного (живого) сечения сепарационного устройства или увеличения поперечного се-чения аппарата, а также за счет равномерного распределения газового потока по сечению аппарата. [3,5]

1.5 Цель и задачи проектирования

Целью дипломного проекта является сепаратор газовый установки под-го-
товки нефти "Северный Савинобор" с усовершенствованием внутреннего устройства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за-дачи:
– проанализировать существующие конструкции сепараторов;
– усовершенствовать конструкцию газового сепаратора;
– провести анализ исследований работы сепаратора;
– осветить вопросы безопасности и экологичности проекта;
– провести оценку экономической эффективности от предлагаемых меро-приятий.

Для надежной и эффективной работы сепарационных элементов необходимо для каждой конкретной конструкции проведение экспериментальных исследований по распределению структуры газового потока. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, движение газа в закрученном потоке, которое носит весьма сложный характер, и до настоящего времени изучено еще недостаточно полно.
Необходимы исследования, связанные с совершенствованием серийно выпускаемых сепарационных элементов. Поэтому с появлением новых конструктивных узлов и деталей (завихрителей, рециркуляторов и вытеснителей), которые в совокупности дополняют другие элементы и на их основе можно сделать практические выводы о характере потока и эффективности работы элемента в целом.
Для правильного и целостного представления физической сущности процесса прохождения газожидкостных смесей в закрученном потоке газа, движущемся в прямоточных центробежных элементах, необходимо изучение распределения скоростей и давлений по радиусу и сечениям этих элементов.
Стендовые исследования по определению поля скоростей внутреннего пространства центробежного сепарационного элемента проводились с целью выявления процессов, происходящих в элементе диаметром 100 мм нового образца, с многофункциональным вытеснителем - рециркулятором, по сравнению с элементом того же диаметра, но другого конструктивного исполнения.
Исследования структуры газового потока в центробежном сепарационном элементе включали измерение поля скоростей и давления потока в пяти сечениях по высоте и в 12 точках по радиусу элемента.
Поля скоростей определялись с помощью измерительного комплекса с ис-





пользованием зонда специальной конструкции.[17]

3.1 Задача и постановка экспериментального исследования.

Основной задачей проведения исследований является определение экспериментальным путем структуры газового потока в прямоточном центробежном элементе с многофункциональным вытеснителем и рециркули-рующими патрубками при различных режимах его работы. Стендовые исследования позволяют определить поля скоростей внутреннего пространства разработанного сепарационного элемента с целью выявления процессов, происходящих в элементе нового образца по сравнению с элементами других конструкций, прошедших аналогичные испытания. Проведение эксперимен-тального исследования в лабораторных условиях позволит произвести замеры угла закрутки газового потока и дальнейшую теоретическую обработку полученных данных.

3.2 Прямоточный центробежный элемент с многофункциональным цилиндрическим вытеснителем.

Прямоточный центробежный элемент с многофункциональным цилиндрическим вытеснителем относится к технике разделения газожидкостных потоков и может быть использовано в различных узлах разделения газожидкостных потоков.
Техническая задача, решаемая в ходе разработки центробежного элемента сводилась к повышению эффективности разделения жидкости и газа и снижению гидравлического сопротивления.
Центробежный элемент, изготовленный для проведения экспериментальных испытаний, показан на рисунке 3.1.
Диаметр обечайки сепарационного элемента равен 250 мм. Определяющие размеры деталей сепарационного элемента приведены в таблице 3.1.
Для проведения сравнительного анализа размерных характеристик в этой же таблице представлены диапазоны размеров, в рамках которых обеспечивается наиболее эффективная работа элемента.

3.3 Экспериментальный стенд. Проведение эксперимента.

Для исследования структуры газового потока прямоточного центробежного патрубка на базе лаборатории кафедры ПТЭ в КубГТУ был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, рисунок 3.2. [17]
Экспериментальный стенд предназначен для исследования прямоточных центробежных элементов, выполненных в натуральную величину, при атмосферных условиях.
Эффективность работы прямоточного центробежного сепарационного элемента во многом зависит от структуры газового потока в нем. Поэтому программа исследований предусматривала проведение особо тщательного эксперимента, в котором определялись: угол закрутки, полный статический и динамический напор. Измерения проводились в пяти сечениях центробежного элемента, как показано на рисунке 3.3, и отдельно в его патрубках. Сечения были выбраны на расстоянии:
- 5 мм вниз от нижней образующей элемента;
- 120, 80, 20 мм вниз от верхней образующей каплеуловителя;
- 15 мм вверх от нижней образующей каплеуловителя.
В каждой сечении проведены 12 замеров, передвигая зонд от центра к его периферии по указанным относительным координатам r/R.
Схема экспериментальной установки для определения поля скоростей, представленная на рисунке 3.2, работает следующим образом. Поток газа, создаваемый высоконапорной воздуходувкой 1 и регулируемый с помощью шибера 2, направляется в выравнивающий элемент 3, представляющий собой набор трубок длинной 25 см и диаметром 1 см, с целью создания одномерного потока газа. Затем этот поток направлялся на вход центробежного элемента.
Трехточечный зонд, представляет собой модификацию трубки Пито - Прандтля, вводился в высверленные отверстия в корпусе центробежного
элемента. Статическое давление на входе центробежного элемента измерялось манометром 6. Динамическое давление на входе в выравнивающий элемент измерялось двухточечным зондом 7.
Трехточечный зонд был изготовлен таким образом, чтобы по обеим сторонам от трубки отбора полного давления потока газа были расположены трубки отбора статического давления газа. Диаметр трубок составлял 0,5 мм.
Таким образом, пространственное разрешение зонда было не более 2 мм, что достаточно для целей определения поля скоростей в центробежном элементе.
В опытах по определению угла закрутки потока и скорости газа зонд устанавливался в нужной точке по радиусу сепарационного элемента (r/R) таким образом, чтобы в трубках отбора статистического давления было одинаковым и разность давлений равнялось нулю. В этом положении зонда измерялся угол поворота зонда относительно оси сепаратора а, который равен углу закрутки потока газа. В этом же положении зонда измерялось динамическое давление газа в трубке, которое равно

3.4 Анализ экспериментального исследования

На рисунках 3.7 - 3.11 представлены графические зависимости скорости потока газа в сепарационном патрубке от радиуса патрубка для различных расходов газа, построенных на основе экспериментальных данных, а на рисунках 3.12 - 3.16 - зависимости угла закрутки потока газа от радиуса патрубка также для различных расходов газа в пределах 12 - 40 м/с расходной скорости. Все зависимости построены на основании данных журналов замеров, приведенных в приложении 2. Видно, что во всех сечениях патрубка и во всех режимах, скорость газа увеличивается, достигая максимума в районе r/R ~ 0,6 - 0,9, и затем уменьшается при r/R>0,9 , т. е. вблизи стенки патрубка.
Угол закрутки наоборот, резко уменьшается с увеличением радиуса, достигая минимума в области r/R = 0,7 - 0,8, затем увеличивается вблизи стенки. Исключение составляет лишь зависимость 3.15 для сечения №4, на выходе из патрубка, где минимум угла закрутки достигается вблизи стенки патрубка. Сравнивая зависимости для разных сечений можно видеть, что скорость потока газа и угол закрутки слабо меняются при движении вдоль патрубка. Скорость газа в сечении №5 (в свободном пространстве), рисунок 3.12, достигает максимума в области r/R = 1,0 - 1,1, что связано с отсутствием ограничивающего влияния стенки патрубка.
Распределение скорости по радиусу с максимумом при r/R = 0,6 -0,9 вероят-
но есть следствие того, что газ закручивается лопаточным завихрителем, где ско-

рость газа в максимуме сохраняется такой же, как на выходе завихрения, а вблизи стенки уменьшается из-за трения. В сечении №1 вблизи r/R = 0-0,3 наблюдались обратные к основному потоку газа токи, рисунок 3.9, и углы закрутки, превышающие 90", рисунок 3.12. Это вероятно связано с действием потока газа из рециркуляционного патрубка. На рисунках 3.7 - 3.10 видно, что пропорцио-нальное увеличение расходной скорости газа приводит к непропорциональному увеличению скорости газа в патрубке, показывающему, что с увеличением расходной скорости газа она все меньше влияет на скорость газа в патрубке. Это связано с тем, что с увеличением расходной скорости газа угол закрутки газа уменьшается.
Анализируя полученные в ходе эксперимента результаты, можно отметить однотипное распределение угловой скорости по радиусу патрубка, которое от центра плавно возрастает, достигая своего максимального значения у стенки, а затем уменьшается, имея на всей своей протяженности положительные значения. Исключения составили данные по скорости в первом сечении, которое не пересекает патрубок вытеснителя, рисунок 3.7. Отрицательные значения скорости потока газа в центральной зоне этого сечения вызвано потоком газа из вытеснителя, величина которого определяется вакуумом, образующимся в этой зоне. Такой вариант конструкции не нарушает стабильность и равномерность закрутки внутри элемента, что не маловажно, и в то же время позволяет увеличить эффективность работы за счет рециркуляции газа, отведенного вместе с капельной жидкостью.
Также, в ходе эксперимента практическим способом был установлен коэффициент рециркуляции газа через патрубки, который составил ~6%.
Полученные экспериментальные данные о структуре поля скоростей газового потока в элементе аппроксимированы функциями и использованы для расчета эффективности сепарации.
Роль вытеснителя в формировании поля скоростей, а, следовательно, и в эффективности сепарации представляется существенной, а именно:
1) вытеснитель заполняет ядро потока и запыленный поток газа оттесняется к стенке патрубка, на которой осаждаются капли;
2) вытеснитель, заполняя центральную часть внутреннего пространства патрубка, предотвращает образование обратных токов и уменьшает степень турбулентности запыленного потока газа, тем самым, облегчая достижение каплями стенки центробежного элемента; 3) чистый газ, выходящий из вытеснителя навстречу основному потоку разбавляет запыленный поток и способствует формированию пограничного слоя на поверхности вытеснителя из очищенного от капель газа.
Эти факторы существенно влияют на эффективность сепарации. Однако их изменение заметно повлияет на гидравлическое сопротивление, турбулизацию потока, время нахождения капель в сепараторе. Поэтому, очевидно, что оптимальные соотношения конструктивных параметров вытеснителя и сепарационного патрубка имеют большое значение. Оптимум эффективности сепаратора можно находить расчетным путем, но более надежные результаты могут быть получены только экспериментально.

3.5 Выводы, полученные в результате опыта

Отрицательные значения скорости потока газа в центральной зоне этого сечения вызвано потоком газа из вытеснителя, величина которого определяется вакуумом, образующимся в этой зоне. Такой вариант конструкции не нарушает стабильность и равномерность закрутки внутри элемента, что не маловажно, и в то же время позволяет увеличить эффективность работы за счет рециркуляции газа, отведенного вместе с капельной жидкостью.
Также, в ходе эксперимента практическим способом был установлен коэффициент рециркуляции газа через патрубки, который составил ~6%.
Полученные экспериментальные данные о структуре поля скоростей газового потока в элементе аппроксимированы функциями и использованы для расчета эффективности сепарации.
Роль вытеснителя в формировании поля скоростей, а, следовательно, и в эф-


фективности сепарации представляется существенной, а именно:
1) вытеснитель заполняет ядро потока и запыленный поток газа оттесняется к стенке патрубка, на которой осаждаются капли;
2) вытеснитель, заполняя центральную часть внутреннего пространства патрубка, предотвращает образование обратных токов и уменьшает степень турбулентности запыленного потока газа, тем самым, облегчая достижение каплями стенки центробежного элемента;
3) чистый газ, выходящий из вытеснителя навстречу основному потоку разбавляет запыленный поток и способствует формированию пограничного слоя на поверхности вытеснителя из очищенного от капель газа.
Эти факторы существенно влияют на эффективность сепарации. Однако их изменение заметно повлияет на гидравлическое сопротивление, турбулизацию потока, время нахождения капель в сепараторе. Поэтому, очевидно, что оптимальные соотношения конструктивных параметров вытеснителя и сепарационного патрубка имеют большое значение. Оптимум эффективности сепаратора можно находить расчетным путем, но более надежные результаты могут быть получены только экспериментально.
В дипломной работе были подробно расписаны основные существующие конструкции газосепараторов, принципы действия и технические характеристики. Рассмотрены особенности эксплуатации, конструктивные недостатки и причины отказов.
Была достигнута цель дипломной работы - исследовать работу сепарационного элемента газового сепаратора на рабочее давление 0,6МПа газосепаратора НГС6-2200К1М1, было предложено усовершенствование конструкции.
Усовершенствование конструкции заключалось в решении ряда задач, направленных на повышение эффективности раздела фаз и увеличения межремонтного периода установки.
Рассмотрены вопросы безопасности и экологичности проекта, проведен расчет экономической эффективности от предлагаемых мероприятий.