Модернизация Системы сбора и подготовки газа и нефти. Газосепаратор ГС–1–8.8–800-2-Дипломная работа-Оборудование для добычи и подготовки нефти и газа

Целью дипломного проекта является модернизация системы сбора нефти и газа. Проект состоит из пояснительной записки и чертежей.
В пояснительной записке приведено описание системы сбора и подготовки нефти и газа, назначение и классификация сепараторов, патентно-информационный обзор. Рассмотрены основные свойства и виды дросселей. Основой модернизации газосепаратора ГС-1-8.8-800-2 является установка предохранительного клапана в верхнюю крышку, также перед сепаратором для регулировки давления на входе установлен дроссель. Использование предохранительного клапана поможет избежать возможность взрыва и повысит безопасность обслуживающего персонала. Использование дросселя поможет регулировать давление газа на входе и избежать возникновение излишнего давления в сепараторе. В конструкторской части выполнены основные расчеты. Проект рассмотрен с точки зрения безопасности, рассчитана экономическая выгода в результате модернизации.
В газонефтяном сепараторе происходят два основных процесса: отделение выделившегося свободного газа и выделение из нефти свободного и растворенного в ней газа. Так как выделение основной массы свободного газа из нефти закончилось перед входом в сепаратор, то может оказаться эффективным предварительный отбор этого газа из газожидкостного потока и раздельный ввод фаз в сепаратор
Осадительная секция. В этой секции в газонефтяных сепараторах происходит дополнительное выделение пузырьков газа из нефти. В газовых сепараторах жидкость в данной секции отделяется под действием гравитационных сил, а газ движется в сосуде с относительно низкой скоростью. В газовых сепараторах некоторых конструкций для снижения турбулентности применяют различные устройства—пластины, цилиндрические и полуцилиндрические поверхности.
В газонефтяных сепараторах для интенсификации процесса выделения свободного и растворенного газа из нефти применяют наклонно расположенные плоскости. При этом поток нефти должен плавно, без брызг сливаться в нижнюю часть сепаратора.
Секция сбора жидкости. Служит для сбора жидкости, из которой почти полностью в предыдущих секциях выделился газ при температуре и давлении в сепараторе. Однако некоторое количество газа в ней имеется. Для сепараторов, в которых разделяются газ и легкие углеводороды, содержащиеся в жидкой фазе, объем данной секции выбирают так, чтобы он позволил удержать отсепарированную жидкость в течение времени, необходимого для выхода пузырька газа на поверхность и вторичного попадания в газовый поток. Исследованиями института Гипровостокнефть установлено, что основная часть уносимого с нефтью газа находится в растворенном состоянии. Некоторые авторы утверждают, что газ, уносимый с нефтью, весь находится в свободном состоянии. В действительности в уходящей из сепаратора нефти содержится как растворенный, так и свободный газ.
Общую величину удельного уноса газа с нефтью можно оценить по коэффициенту сепарации, значение которого в гидроциклонных сепараторах составляет 0,99, т. е. 0,01 газа от потенциального содержания уносится с нефтью из сепаратора, причем основная часть уносимого газа (около 90%) находится в растворенном состоянии, а меньшая (около 10% от величины уноса, или около 1% в рабочих условиях от объема нефти) — в свободном состоянии.
Очевидно, что в зависимости от условий сепарации, а также от совершенства конструкций газонефтяного сепаратора соотношение растворенного и свободного газа в составе уносимого с нефтью газа может быть больше или меньше указанных величин. При этом увеличение площади контакта фаз (поверхности аппарата или сливных полок) даже в 5—6 раз позволяет дополнительно выделить из нефти только 10—15% газа от общего количества, остающегося в ней.
Увеличение времени пребывания нефти в сепараторе в 5—6 раз также практически не увеличивает отбора газа. Если растворенный газ, который должен был выделиться из нефти при данных термодинамических условиях сепарации, не выделился при движении, нефти тонким слоем по стенкам аппарата или сливным полкам, то попав в нефтяную зону под слой жидкости, он выделяется незначительно.
Выделение растворенного газа интенсифицируется эффективным разделением фаз на входе в сепаратор путем турбулизации газонефтяной смеси, способствующей более быстрому образованию и выделению из нефти пузырьков газа и дальнейшего высокоэффективного разделения фаз в поле центробежных сил.
Выделение свободного газа из слоя нефти интенсифицируется многократным обновлением поверхности контакта фаз на границе уровня жидкости в аппарате путем перемешивания жидкости с помощью перегородок или применения других устройств с последующей подачей жидкости на сливные полки.
Секция каплеулавливания. Предназначена для улавливания частиц жидкости в уходящем из сепаратора газе. Секция состоит обычно из отбойных устройств (насадок) различного вида — керамических колец, жалюзи, пакетов из плетеной проволочной сетки и т. д. Критерием эффективности отделения капельной жидкости от газа является величина удельного уноса жидкости, которая должна находиться в пределах от 10 до 50 мг/м3 газа.
Эффективность работы отбойных насадок зависит от нескольких факторов, основными из которых являются: допустимая скорость набегания газа, определенное количество жидкости, поступающей с газом, равномерная загрузка насадки по площади ее поперечного сечения.
Кроме функций, выполняемых описанными секциями, в конструкциях сепараторов должны предусматриваться элементы, предотвращающие образование пены и гасящие ее, а также снижающие вредное влияние пульсации газожидкостного потока на сепарацию нефти и газа. Предотвращение пульсации особенно актуально для газонефтяных сепараторов, устанавливаемых в системе сбора нефти.
Эксплуатация сепараторов показывает, что часто из них вместе с газом выносится значительный объем жидкой фазы при скоростях газа, значительно меньших допустимых. Это связано с тем, что над поверхностью нефти появляется значительный слой малоподвижной пены, который постепенно перекрывает зону входа газонефтяного потока.
Следует различать два важных момента образования пены: до сепаратора и в самом сепараторе. Образование пены до сепаратора необходимо связывать с течением газонефтяных смесей по сборным трубопроводам.
В движущемся газонефтяном потоке при снижении давления из раствора непрерывно выделяется газ в виде отдельных пузырьков на поверхности которых образуется мономолекулярный слой из поверхностно-активных веществ, смол и асфальтенов, в больших объемах содержащихся в нефти. Этот слой резко снижает поверхностное натяжение нефти на границе с газом и придает устойчивость образующейся газонефтяной эмульсии.
Образование пены в сепараторе связано с характером ввода газо-нефтяной смеси в сепаратор, с условиями ее подачи на сливные полки, а также с наличием в нефти пенообразующих веществ. Ввод газонефтяной смеси в аппарат с большим перепадом давления (соответственно, с большой скоростью) на сливные полки способствует образованию пены. Пенообразование усиливается также при падении жидкости на слой нефти в аппарате и зависит от свойств нефти. Чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем интенсивнее пенообразование и тем устойчивее пена. Тяжелые нефти более склонны к ценообразованию, чем легкие.
«Пенный режим» в сепараторах создается также тогда, когда не созданы условия для выделения свободного газа, попавшего в нефтяную зону. Вспенивание нефти значительно снижает производительность газонефтяных сепараторов по нефти и газу.
Можно предложить следующие мероприятия по предотвращению или снижению пенообразования: создание раздельного потока газа и нефти на подходе к сепаратору, плавный ввод газонефтяной смеси на сливные полки, отвод нефти с полок под уровень жидкости в сепараторе, применение отбойников, решеток. Методы частичного или полного разделения пены: отстой, перемешивание, нагрев, обработка химикалиями. Отстой предусматривает разрушение пены под действием сил тяжести; перемешивание — механическое разрушение при помощи устройств различного рода; нагрев нефти до определенной температуры снижает поверхностное натяжение, что облегчает выделение пузырьков газа. Химикалии снижают поверхностное натяжение нефти и способствуют удалению из нее свободного газа, в результате чего уменьшается склонность нефти к вспениванию. Добавление поверхностно-активных веществ способствует снижению вязкости эмульсии и уменьшению пенообразования.
Как сказано выше, особое внимание следует уделять предотвращению вредного влияния пульсации газонефтяного потока на сепарацию нефти и газа.
Известно, что эффективность работы газонефтяных сепараторов зависит от характера движения газонефтяной смеси в подводящем трубопроводе. В последнем может наблюдаться движение газовых и жидкостных пробок. Это вызывает значительную пульсацию в трубопроводе и неравномерную подачу газонефтяной смеси в сепараторы.
Газонефтяной сепаратор подвергается кратковременным перегрузкам по жидкости в период поступления жидкостных пробок и перегрузкам по газу — в период поступления газовых пробок. Размеры пробок зависят от количественного соотношения газа и жидкости, рельефа местности, диаметра труб и некоторых других условий.
При движении газожидкостных смесей по трубопроводам можно выделить высокочастотные микропульсации и низкочастотные макро-пульсации. Существование высокочастотных микропульсаций связано со структурой двухфазного потока.
Как известно, пульсация давления или расхода характеризуется амплитудой и частотой. Для промысловой практики наиболее интересны низкочастотные пульсации, имеющие большую амплитуду. Возникновение низкочастотных макропульсаций в большинстве случаев обусловлено накоплением жидкости в трубопроводе и периодическим ее выбросом потоком газа. Необходимо отметить, что неравномерность подачи нефти и газа в сепаратор зависит также от характера подачи нефтяных скважин.
Перегрузки газонефтяных сепараторов по нефти и газу могут привести к осложнениям в работе сепараторов, так как способствуют значительному уносу газа с нефтью и жидкости с газом.
Возможны следующие мероприятия, направленные на уменьшение вредного влияния неравномерной подачи газонефтяной смеси в сепаратор на качество сепарации нефти и газа:
1. увеличение объема сепаратора;
2. изменение режима движения газожидкостной смеси в под-водящих трубопроводах и, в частности, достижение расслоенного режима движения нефти и газа. Этот принцип частичного гашения пульсации реализован в трубном сепараторе;
3. равномерный ввод нефти и газа в сепаратор с помощью кол-лектора — гасителя пульсации.
Для лучшей очистки газа иногда применяют двухступенчатую сепа-рацию, пропуская газ через два сепаратора, включенных последовательно или параллельно. При последовательном включении в первом по ходу газа сепараторе осаждаются наиболее крупные и тяжелые частицы (вода, песок), а во втором — легкие (конденсат). При параллельном включении уменьшается скорость движения газа в сепараторе и улучшается гравитационная очистка. В центробежных сепараторах такого уменьшения скорости не требуется. Сепараторы различаются по рабочему давлению и номинальной пропускной способности.
Об эффективности работы сепараторов можно судить по чистоте газа после сепарации. Тщательной сепарацией можно свести к минимуму содержание капель жидкости и твердых примесей в газе. Содержание паров воды в газе можно уменьшить понижением температуры при сохранении высокого давления (условия, при которых происходит конденсация паров воды), т. е. выгодно осуществлять сепарацию при низкой температуре (вымораживание воды) и высоком давлении (сепаратор до штуцера). При размещении сепаратора после штуцера улавливаются капли конденсата, выпавшего в результате понижения температуры газа при дросселировании. Понижение давления газа требует увеличения поперечного сечения и в некоторых случаях уменьшения толщины стенки газосепаратора. Высокая скорость движения газа в канале штуцера вызывает дробление капель жидкости, что осложняет последующую сепарацию. При установке сепаратора до штуцера следует уменьшать размеры сепаратора, увеличивать толщину его стенок; при этом уменьшается количество паров воды, уносимых газом из сепаратора, исключается дробление капель жидкости в штуцере. Место установки сепаратора и число ступеней сепарации определяют после анализа конкретных условий работы. Газосепараторы размещают на поверхности земли, в земле, в колодцах или в специальном помещении. Для удаления накопившихся осадков сепараторы периодически продувают путем открытия вентилей на отводных трубках. Жидкость выходит под действием давления в сепараторе. Продувку прекращают при появлении газа. Конденсат, улавливаемый в сепараторе, содержит ценные углеводороды, которые можно использовать как топливо или как сырье для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Этот конденсат собирают в емкости, отстаивают, учитывают и полезно используют.

6 Техническое предложение по модернизации системы сбора и подготовки газа.
В данной системе сбора и подготовки газа отсутствует возможность регулировать давление в газосепараторе, соответственно возникает возможность взрыва. Не смотря на то что давление гидроиспытания составляет порядка 12 МПа, необходимо принять меры для устранения данного недостатка. Ведь металл обладает свойством накапливать усталость, и соответственно будет терять свои прочностные свойства.
Первое, что мы можем предпринять для решения этой проблемы – установить регулятор давления перед газосепаратором. Но стандартные регуляторы давления с резиновой диафрагмой для этой цели не подходят, потому что в газе, поступающем из скважины, содержатся острые куски горной породы, которые будут резать резиновые диафрагмы. Следовательно, придется постоянно приостанавливать добычу, для замены этих элементов. Поэтому необходимо выбрать регулятор давления с поворотной металлической заслонкой. Для данной модернизации предлагаю взять дроссель.
Данный дроссель можно с помощью датчиков соединить с манометром и при повышении давления запорный орган будет поворачиваться на определенный угол. При падении давления запорный орган будет возвращаться в исходное положение. Главным плюсом данной конструкции является то, что металлическая заслонка жестко закреплена в двух валах на подшипниках и кусочки горной породы могут нанести лишь незначительные повреждения запорному органу. Управление, в случае выхода из строя датчиков, можно сделать ручным и опытным путем добиться нужной характеристики расхода.
Если по, каким-либо, причинам дроссель выйдет из строя и у нас снова не будет возможности регулировать давление поступающего газа. Я предлагаю установить предохранительный клапан в верхнюю крышку сепаратора. Данная модернизация не повлияет на качество работы газосепаратора. Так как газ будет стравливаться лишь в случае повышения давления до критического значения. Проведя патентно-информационный обзор, мы выбрали конструкцию предохранительного клапана по авторскому свидетельству No859736. Данная конструкция поможет добиться двойного регулирования расхода газа в случае избыточного давления. Основная сложность при конструировании данного клапана состоит в том, что нам необходимо выбрать пружину с очень большой максимальной силой. В стандартном варианте уплотнительные кольца делали из маслостойкой резины. Обуславливалось это тем, что такие клапана ставили на сосуды со сравнительно небольшим давлением. В нашем случае нам придется иметь дело с очень большой силой пружины. Существует большая вероятность, что при повышении давления эта пружина будет давить на запорный орган с такой силой, что запорный орган будет резать резиновые уплотнительные кольца, и клапан будет терять герметичность.
Чтобы избежать этого, я предлагаю выбрать материал, который меньше подвержен деформации, чем резина. Лучше всего для данной цели подойдет полиуретан. По цене он не намного дороже, чем резина, но намного долговечней и практичней. Он более пластичен и в то же время мягкий, что позволит надежно загерметизировать предохранительный клапан.
Что касается конструкции данного клапана, то главным ее плюсом является возможность двойного регулирования. Запорный орган 13 имеет малые размеры и обеспечивает небольшие сбросы (расходы) рабочей среды. Если же давление в системе повышается в большей степени, то чувствительный элемент 7 поднимается вверх на большую величину. При этом выбирается зазор между запорными органами 10 и 13, что приводит при дальнейшем подъеме чувствительного элемента к открытию канала 8, который имеет большие размеры, что обусловливает большую степень открытия устройства. Суммарное открытие запорных органов в этом случае непропорционально повышению давления, степень открытия клапана более высокая, что позволяет сбрасывать чрезмерное повышение давления из систем с большим рабочим объемом. При восстановлении величины рабочего давления в защищаемой системе чувствительный элемент 7 под действием рабочей пружины 6 опускается вниз. При этом сначала закрывается запорный орган 10, а потом запорный орган 13. В предохранительном клапане достигается непропорциональное увеличение проходного сечения при повышении давления в системе. Наличие двух запорных органов, открывающихся последовательно обеспечивает защиту систем с большими и малыми рабочими объемами. В первом случае сброс недопустимого давления достигается открытием обоих запорных органов, а во втором — откры-тием одного запорного органа меньших размеров.
Об эффективности работы сепараторов можно судить по чистоте газа после сепарации. Тщательной сепарацией можно свести к мини¬муму содержание капель жидкости и твердых примесей в газе. Содержание паров воды в газе можно уменьшить понижением темпе¬ратуры при сохранении высокого давления (условия, при которых происходит конденсация паров воды), т. е. выгодно осуществлять сепарацию при низкой температуре (вымораживание воды) и высоком давлении (сепаратор до штуцера). При размещении сепаратора после штуцера улавливаются капли конденсата, выпавшего в результате понижения температуры газа при дросселировании
В рассмотренной системе сбора и подготовки газа отсутствовала возможность регулирования давления. Проведенная модернизация помогла решить эту проблему. Был произведен патентный поиск по предохранительным клапанам различной конструкции. Был произведен прочностной расчет некоторых элементов системы.