Модернизация горизонтального сепаратора-Применение системы гидроразмыва осадка для очистки сепаратора от механических примесей-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. Отдельный раздел дипломного проекта посвящен описанию модернизированного горизонтального сепаратора. Основой модернизации горизонтального сепаратора является применение системы гидроразмыва осадка для очистки сепаратора от механических примесей. Использование системы гидроразмыва осадка позволяет достичь уменьшения затрат на очистку сепаратора, уменьшения коррозии металла, увеличения срока эксплуатации аппарата за счет регулярной очистки стенок сепаратора от механических примесей. В конструкторской части приведены основные расчеты. Проект рассмотрен с точки зрения безопасности и экологичности, рассчитана экономическая выгода от применения модернизации.
Объем расчетно-пояснительной записки составляет 85 страниц. В них 9 рисунков, 2 графика, 3 таблицы, 35 источников использованной литературы. Графическая часть составляет 10 листов.
Отделение нефти от газа и воды производится с целью:
получения сырой нефти и нефтяного газа, которые при последующей переработке используется как химическое сырье или как топливо;
уменьшения перемешивания нефтегазового потока и снижения за счет этого гидравлических сопротивлений;
уменьшения пенообразования (оно усиливается выделяющимися пузырьками газа);
уменьшения пульсаций давления в трубопроводах при транспорте нефти от сепараторов первой ступени до установки подготовки нефти (УПН).
Движение газонефтяной смеси по промысловому трубопроводу сопровождается пульсациями давления, например, если поток имеет пробковую структуру, то происходит попеременное прохождение пробок нефти и пробок газа. Возникающие циклические нагрузки на трубопровод приводят к возникновению трещин и разрушению трубопровода.
Сепаратор – это закрытый сосуд, в котором нефть отделяется от воды и попутного газа. Выделению и отделению газа способствуют снижение давления, разбивка потока жидкости на тонкие струйки, уменьшение скорости и изменение направления движения потока. Отделение воды происходит за счет разности плотностей продуктов.
Сепараторы условно можно подразделить на следующие категории:
1. По назначению: замерные и сепарирующие;
2. По геометрической форме: цилиндрические, сферические;
3. По положению в пространстве: вертикальные, горизонтальные и наклонные;
4. По характеру основных действующих сил: гравитационные, инерционные, центробежные, ультразвуковые и т.д.
5. По технологическому назначению:
двухфазные - применяются для разделения продукции скважин на жидкую и газовую фазу:
трехфазные - служат для разделения потока на нефть, газ и воду;
сепараторы первой ступени сепарации – рассчитаны на максимальное содержание газа в потоке и давление I ступени сепарации;
концевые сепараторы - применяются для окончательного отделения нефти от газа при минимальном давлении перед подачей товарной продукции в резервуары;
сепараторы-делители потока – используются, когда необходимо разделить выходящую из них продукцию на потоки одинаковой массы;
сепараторы с предварительным отбором газа: раздельный ввод жидкости и газа в аппарат увеличивает пропускную способность данных аппаратов по жидкости и газу;
6. По рабочему давлению:
высокого давления  более 4 МПа;
среднего давления  2,5 – 4 МПа;
низкого давления   до 0,6 МПа;
вакуумные    (давление ниже атмосферного).
Выбор типоразмера сепаратора зависит от объема и характеристики этих функций. Если одна конструкция сепаратора по какой-либо причине не удовлетворяет условиям выполнения заданных функций, то разделение и подготовка продукции скважин могут осуществляться последовательным распределением этих функций между различными типами сепараторов или сочетанием их с другими технологическими аппаратами.
Наибольшее распространение на нефтепромыслах получили вертикальные цилиндрические с тангенциальным вводом диаметром от 0,4 до 2,6 м и высотой до 4,5 м.

Техническое предложение по модернизации сепаратора горизонтального

4.1 Основание для модернизации сепаратора горизонтального

Проведя патентно-информационный обзор, мною были выявлены достоинства и недостатки различных видов сепараторов. Основной проблемой во всех видах сепараторов является недостаточная очистка аппарата от механических примесей (песок, глина, частицы выбуренной породы и обсадных труб и т.д.). Отлагаясь на стенках, механические примеси образовывают плотный и трудноудаляемый слой осадка, вследствие чего уменьшается пропускная способность, снижается эффективность производственных процессов, увеличивается скорость коррозии, износа сепаратора и количество внеплановых остановок предприятия. Мероприятия, направленные на устранение или снижение негативного воздействия этого фактора, как правило, малоэффективны, не решают проблему в целом, а также требуют значительных материально-технических затрат. На сегодняшний момент очистка сепаратора от механических примесей представлена весьма ограниченным количеством технических решений. В результате имеют место удорожание добычи нефти и нарушение экологического равновесия в окружающей среде.
Для защиты сепаратора от механических примесей в дипломном проекте произведена модернизация сепаратора. Основой модернизации является применение системы гидроразмыва осадка для очистки сепаратора от механических примесей.
В качестве базового сепаратора в дипломном проекте принят сепаратор из патента No RU 54 526 U1. Преимуществом данного аппарата является достаточно высокая производительность при простоте изготовления и малом количестве деталей, что существенно снижает его стоимость.
В базовом сепараторе выявлено несколько недостатков.
Конструкцией не предусмотрена регулярная очистка от механических примесей, что ведет к накоплению отложений на днище сепаратора. Загрязнения приводят к длительному, трудоемкому и опасному процессу ручной очистки сепаратора от механических примесей. Конструкция крепления сливных полок также затрудняет очистку. Следующим недостатком базовой конструкции является возможность попадания воды в линию выхода нефти, что приводит к ухудшению качества конечного нефтепродукта.
Все вышеперечисленные недостатки устранены в ходе модернизации сепаратора.

4.2 Техническое предложение по модернизации сепаратора горизонтального

Основной модернизацией является применение системы гидроразмыва осадка для очистки сепаратора от механических примесей.


Рисунок 7 - Система гидроразмыва осадка:
1 – входной патрубок; 2 – выходной патрубок; 3 – коллектор; 4 – сопло; 5 – лоток; 6 - пластина

Система гидроразмыва осадка состоит из двух коллекторов 3, инжекционных сопел 4, расположенных по всей длине коллектора, лотка 5, пластин 6, входных 1 и выходных 2 патрубков.
Коллектор представляет собой две трубы с внутренним диаметром 94 мм и длиной 4650 мм каждая. Коллекторы расположены симметрично в нижней части сепаратора на расстоянии 1100 мм друг от друга. В нижней части по всей длине каждого коллектора приварены 30 инжекционных сопел с внутренним диаметром проходного отверстия 10 мм. Также к каждому коллектору приварены по 4 входных патрубка для подачи воды с внутренним диаметром 94 мм. Лоток представляет собой загнутую под углом 900 стальную пластину длиной 1600 мм. Лоток расположен в нижней части сепаратора вдоль продольной оси. Между днищем сепаратора и лотком остается небольшой зазор для попадания и сбора механических примесей. С одной стороны лотка к нему приварены 3 выходных патрубка для выхода осадка с внутренним диаметром 94 мм. Для простоты изготовления и удобства монтажа и эксплуатации 3 лотка соединены поперечными стальными пластинами. Также с помощью данных пластин система гидроразмыва осадка крепится к днищу сепаратора.
Система гидроразмыва осадка работает следующим образом. В два коллектора через входные патрубки подается вода. Для равномерного распределения воды вдоль всего коллектора патрубки приварены через одинаковые расстояния по длине. Вода, проходя по коллектору, попадает в инжекционные сопла. При этом происходит изменение направления потока на 900 и размера проходного сечения с 94 мм до 10 мм, что способствует резкому увеличению скорости прохождения и напора воды. Попадая таким образом на стенки, вода смывает накопившиеся механические примеси к центру сепаратора. Смесь воды и твердых частиц попадает через зазор между лотком и днищем сепаратора. В течение некоторого времени смесь накапливается в лотке. При достижении уровня выходного патрубка, смесь воды и механических примесей удаляется из сепаратора, оставляя поверхность чистой.
Так как смесь воды и механических примесей является жидкой, она легко удаляется через выходные патрубки, не откладываясь на стенках сепаратора. За счет постоянной циркуляции воды, происходит смыв твердого осадка по всей поверхности днища сепаратора, что способствует очистке сепаратора, уменьшению коррозии стенок и продлению срока службы аппарата.
Так как поступающая в сепаратор газожидкостная смесь на разных месторождениях имеет различное количество механических примесей, то частота работы системы гидроразмыва осадка определяется опытным путем в процессе работы. Каждая секция системы очистки должна регулярно приводиться в действие через определенные интервалы времени. Если вода подается при достаточном давлении и скорости, достигается полное удаление осадка при каждом приведении системы в действие. Подача воды производится одновременно с удалением механических примесей.
В дипломном проекте также доработана система крепления сливных полок к корпусу сепаратора. В базовой конструкции полки крепятся болтовым соединением непосредственно к стенке сепаратора. Такой вид соединения обладает рядом недостатков, таких как трудность в очистке сливных полок из-за сложности их демонтажа из сепаратора. В целях устранения указанного недостатка в дипломном проекте разработан новый принцип крепления, представляющий собой сварную раму.
Рама состоит из уголков 1 и 2, вертикальных 3 и горизонтальных 4 пластин. Все детали сварены в единую конструкцию.
Уголки представляют собой изделия прокатного сортамента - уголки No10 100х100х7 по ГОСТ 8509-93.
Конструкция работает следующим образом. Сливные полки привариваются к сварной раме. Внутри сепаратора предусмотрены уголки, приваренные к стенкам корпуса, на которые ставится рама с полками. Преимуществом данной конструкции является легкость извлечения рамы из сепаратора для дальнейшей очистки полок из-за отсутствия болтового соединения. В базовой конструкции очистка полок производится ручным способом. Сложность состоит в демонтаже полок из-за большой загрязненности деталей нефтепродуктами, ограниченности пространства места демонтажа, затрудненности в применении вспомогательного инструмента. При применении новой конструкции устраняется сложность разборки полок в загрязненном состоянии, ускоряется процесс очистки полок, а также обеспечивается требуемая безопасность при проведении работ.
Еще одним недостатком базовой конструкции сепаратора является возможность попадания воды в линию выхода нефти, что приводит к ухудшению качества конечного нефтепродукта. Для устранения указанного недостатка в модернизированном сепараторе предусмотрена переливная перегородка.

Рисунок 9 – Переливная перегородка:
1 – вертикальная пластина; 2 – горизонтальная пластина
Переливная перегородка состоит из вертикальной 1 и горизонтальной 2 пластин, соединенных сваркой. Горизонтальная пластина крепится болтовым соединением к днищу в правой части сепаратора.
Данная модернизация работает следующим образом. Газожидкостная смесь, попадая в основную часть сепаратора, разделяется на фракции под действием разности плотностей. Отделенная нефть накапливается в сепараторе и достигает верхней кромки переливной перегородки, после чего попадает в правую часть сепаратора, где происходит вторичное отделение нефти и воды под действием разности плотностей. Таким образом, в линию выхода нефти попадает чистый продукт.
5 Описание работы сепаратора горизонтального модернизированного

Основное преимущество горизонтальных цилиндрических сепараторов состоит в том, что они могут быть большой единичной мощности. К достоинствам также можно отнести постоянное увеличение разделяющей способности при увеличении длины аппарата, простоту изготовления и монтажа сепаратора. Недостатком горизонтальных сепараторов является трудность выхода из сепаратора твердых примесей.
Представленный в дипломном проекте газонефтяной горизонтальный цилиндрический сепаратор представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат с эллиптическими днищами, установленный на две седловые опоры. На цилиндрической части корпуса и днищах расположены технологические штуцера, штуцера для установки средств контрольно-измерительных приборов и автоматики (К и А) и люк.
Узел входа и распределения смеси служит для ввода, направления и первичного разделения смеси. Для обеспечения высокоэффективной предварительной сепарации и равномерного распределения потока по сечению аппарата применяют специальные конструктивные устройства. Нефтегазоводяная смесь поступает через входной штуцер сверху аппарата и попадает в узел входа и распределения смеси, где происходит первичное разделение газа и жидкости. Распределительное устройство представляет собой патрубок, загнутый под определенным углом с резким уменьшением диаметра и размера сечения, вследствие чего происходит изменение направления движения и увеличение напора поступающей жидкости. Для интенсификации процесса разделения применены наклонно расположенные плоскости. Увеличение эффективности работы нефтегазового сепаратора достигается за счет многократного увеличения поверхности испарения при дроблении потока на мелкие струи и капли. На полку жидкость попадает тонким слоем, стекает по ней, разделяясь на фазы под действием сил тяжести. Более легкие пузырьки газа отделяются и попадают в осадительную секцию. Увеличение площади контакта фаз (поверхности аппарата и сливных полок) позволяет дополнительно выделить из нефти 10 - 15 % газа от общего количества. Для удобства монтажа, эксплуатации и очистки сливных полок, они крепятся на раму. Рама представляет собой сварную конструкцию из равнополочных уголков и вертикальных и горизонтальных пластин.
В осадительной секции происходит дополнительное разделение нефтегазовой (нефтеводогазовой) смеси. Жидкость в данной секции отделяется под воздействием гравитационных сил, а газ движется в сосуде с относительно низкой скоростью. Увеличение времени пребывания нефти в сепараторе в 5 — 6 раз также практически не увеличивает отбор газа. Если растворенный газ, который должен был выделиться из нефти при данных термодинамических условиях сепарации, не выделился при движении нефти тонким слоем по сливным полкам, то, попав в нефтяную фазу под слой жидкости, он выделяется незначительно. В отличие от газа разделение фазы нефть-вода происходит тем эффективнее, чем дольше жидкость находится в аппарате. В правой части сепаратора расположена перегородка, которая представляет собой тонкую стальную пластину. Когда уровень нефти в осадительной части достигает верхней кромки перегородки, нефть через верхнюю кромку перегородки начинает перетекать в правую часть сепаратора, то есть перетекают только верхние полностью освобожденные от пузырьков газа и воды слои нефти.
Длина сепаратора составляет 6511 мм, штуцер ввода газожидкостной смеси располагается в правой части, штуцер выхода газа – в левой. По мере движения газожидкостной смеси вдоль оси сепаратора происходит постоянное отделение газа. В левой части аппарата концентрация газа становится наибольшей. Неравномерное распределение газа может вызвать усиленную коррозию, разрушение металла и опасность взрыва левой части сепаратора. Для выравнивания давления газа по длине сепаратора, в верхней части расположена труба-перемычка, которая предотвращает концентрацию газа в левой части сепаратора.
Секция каплеулавливания предназначена для улавливания частиц жидкости в уходящем из газонефтяного сепаратора газе. Секция состоит обычно из нескольких каплеотбойных устройств. В данном аппарате секция коалесценции включает в себя набор рифленых полипропиленовых пластин, установленных вертикально в центральной части вдоль оси аппарата. В секции коалесценции отделившийся газ проходит через набор рифленых полипропиленовых пластин, расположенных близко друг к другу и создающих большую коагуляционную поверхность. В левой части по ходу потока сверху на перегородке имеется окно для выхода газа, в которое установлен блок каплеуловителей для очистки газа от капельной жидкости. Пузырьки газа разбиваются, поднимаются вверх и проходят через каплеуловитель, а частицы нефти и воды под действием гравитации оседает в нижней части аппарата.
Секция сбора жидкости служит для сбора жидкости, которая почти полностью в предыдущих секциях разделилась на воду, нефть и газ при рабочей температуре и давлении в сепараторе. К торцу аппарата справа и слева устанавливаются линии выхода нефти, газа, воды, фланцевые отводы для присоединения контрольно-измерительных приборов. Из аппарата нефть поступает через штуцер в линию выхода нефти, вода - через штуцер в линию выхода воды. Обводненность нефти на выходе из аппарата – 0,5 – 1,0 % при обводненности нефтяной эмульсии поступающей в аппарат – 10 - 20 %. Отделенный газ поднимается наверх и в конце аппарата проходит через блок каплеуловителей и поступает через штуцер в линию выхода газа.
Конструкцией аппарата предусмотрено антикоррозионное внутреннее лакокрасочное покрытие.
Для обслуживания технологических штуцеров и КИП предусмотрены площадки обслуживания, которые устанавливаются на месте монтажа.
Предусмотрен дополнительный люк для осмотра и обслуживания аппарата.
Для транспортировки аппарата предусмотрены проушины, расположенные по всей длине.
В нижней части аппарата расположена система очистки от механических примесей, которая включает в себя коллекторы промывочной воды с инжекционными соплами для размыва мехпримесей, расположенные по всей длине аппарата, и лотки для мехпримесей. В целях удобства изготовления и монтажа система очистки разделена на отдельные секции. Каждая секция имеет патрубок для подачи промывочной воды и отдельный выводной патрубок для пульпы. Для удаления механических примесей во время работы аппарата периодически подается промывочная вода в коллекторы с инжекционными соплами. Частота струйной обработки определяется опытным путем в процессе работы.
На начальном этапе разработки нефтяных месторождений, как правило, добыча нефти происходит из фонтанирующих скважин практически без примеси воды. Однако на каждом месторождении наступает такой период, когда из пласта вместе с нефтью поступает вода сначала в малых, а затем все в больших количествах. Примерно две трети всей нефти добывается в обводненном состоянии. Пластовые воды, поступающие из скважин различных месторождений, могут значительно отличаться по химическому и бактериологическому составу.
Наличие воды в нефти приводит к удорожанию транспорта в связи с возрастающими объемами транспортируемой жидкости и увеличением ее вязкости.
Присутствие агрессивных водных растворов минеральных солей приводит к быстрому износу как нефтеперекачивающего, так и нефтеперерабатывающего оборудования. Наличие в нефти даже 0,1 % воды приводит к интенсивному вспениванию ее в ректификационных колоннах нефтеперерабатывающих заводов, что нарушает технологические режимы переработки и, кроме того, загрязняет конденсационную аппаратуру.
Легкие фракции нефти (углеводородные газы от этана до пентана) являются ценным сырьем химической промышленности, из которого получаются такие продукты, как растворители, жидкие моторные топлива, спирты, синтетический каучук, удобрения, искусственное волокно и другие продукты органического синтеза, широко применяемые в промышленности. Поэтому необходимо стремиться к снижению потерь легких фракций из нефти и к сохранению всех углеводородов, извлекаемых из нефтеносного горизонта для последующей их переработки.
Наличие в нефти механических примесей (породы пласта) вызывает абразивный износ трубопроводов, нефтеперекачивающего оборудования, затрудняет переработку нефти, образует отложения в холодильниках, печах и теплообменниках, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и быстрому выходу их из строя. Присутствие минеральных солей в виде кристаллов в нефти и раствора в воде приводит к усиленной коррозии металла оборудования и трубопроводов, увеличивает устойчивость эмульсии, затрудняет переработку нефти.
Эти и другие причины указывают на необходимость подготовки нефти к транспорту.
Частью такой подготовки является многоступенчатое сепарирование нефтепродуктов в различных сепараторах.
В данном дипломном проекте была комплексно рассмотрена одна из схем сбора и подготовки нефти и газа.
В патентно-информационном обзоре были представлены различные конструкции горизонтальных сепараторов. Также была рассмотрена модернизация одного из представленных сепараторов. Были произведены расчеты основных параметров. Проверены на прочность некоторые элементы конструкции, что позволило сделать выводы, что эти детали выдержать заданные прочностные параметры и другие рабочие характеристики.