Спосіб компримування газу

1. Спосіб компримування вуглеводневої суміші, значення молекулярної маси і густина якої змінюється в широкому діапазоні значень, який полягає в тому, що робочий процес компримування складається з окремих етапів очищення суміші, подальшого підвищення її тиску в окремих секціях стиснення, охолодження і сепарації двофазної суміші, який відрізняється тим, що вибір робочих параметрів кожного з етапів процесу компримування здійснюється на основі системного аналізу енерготехнологічної схеми установки, описуваною спеціальною математичною моделлю її робочого процесу: густина суміші на вході встановлюється з врахуванням характеристик компресора і його приводу; двоступеневий процес очищення суміші перед компримуванням контролюється по кількості уловлюваної краплинної вологи або конденсату (нафти) з обмеженням граничних значень накопичуваних об'ємів у відповідних ємностях; температура стискуваної суміші на виході з секції стиснення не повинна перевищувати 423-433 К; температура охолодженої суміші між секціями стиснення і після кінцевих секцій складає 313-333 К або менше залежно від району видобування вуглеводнів; процес сепарації вуглеводневої суміші після стиснення і охолодження, також, як і в процесі її очищення перед компримуванням, є критичним режимом з точки зору можливості роботи всієї системи компримування "на магістраль" або "на кільце", а пристроєм для здійснення способу компримування є багатокаскадна блоково-комплектна турбокомпресорна установка з газотурбінним або 2 (19) 1 3 Корисна модель, що заявляється, відноситься до галузі компресоробудування і може використовуватися при створенні блоково-комплектних турбокомпресорних установок з газотурбінним або електричним приводом для газової і нафтової промисловості, експлуатація яких супроводжується істотною зміною складу і тиску газоподібної вуглеводневої суміші. Відома конструкція турбокомпресорної установки (ТКУ) для збору і транспорту нафтового газу, основу якої складає турбокомпресорний агрегат (ТКА) з багатокаскадним відцентровим компресором (ВК) з електричним або газотурбінним приводом (деклараційний патент України №32820, пріоритет 04.05.1998, публ. 15.02.2001, Бюл. №1). У складі кожного каскаду стиснення ВК такого ТКА є секція стиснення вуглеводневої суміші, а також система її охолодження на основі вихрових сепараторів-конденсаторів для охолодження і розділення двофазної вуглеводневої суміші, яка утворюється після охолодження газу, а також апарату повітряного охолодження (АПО) конденсату, що виділився після охолодження газу. Найбільш близькою до корисної моделі, що заявляється, за способом компримування газу, технічній суті і результатам, що досягаються, є вибрана як прототип ТКУ для збору і транспортування вуглеводневого газу (В.П. Парафейник. Термодинамическая эффективность и особенности проектирования сепараторов углеводородной смеси для компрессорных установок нефтяной промышленности // Химическое и нефтяное машиностроение, №4, 1996, С.42-47). В установці реалізований традиційний спосіб компримування газу, коли параметри робочого процесу установки вибираються на деякий усереднений склад вуглеводневої суміші і фіксовані усереднені параметри на вході і виході з кожного елементу установки. Установка містить сепаратори грубого і тонкого очищення, і послідовно один за іншим три каскади стиснення ВК, у складі кожного з яких є секція (корпус) стиснення, АПО охолодження газу і вихровий сепаратор. Недоліком відомого способу компримування є те, що робочий процес установки і характеристики основних елементів для його реалізації вибираються на основі усереднених параметрів на вході і виході з кожного елементу системи компримування без врахування їх взаємного впливу при здійсненні робочого процесу. В той же час в реальному робочому процесі спостерігається істотна зміна складу і тиску вуглеводневої суміші як на вході в установку, так і вздовж технологічного контура, що призводить до зниження ефективності роботи каскадів стиснення і до розузгодження їх характеристик. В результаті цього знижується ефективність роботи ТКУ в цілому, звужується діапазон проектних режимів компримування по продуктивності, а окремі секції стиснення можуть увійти до нерозрахункового (помпажного) режиму роботи. Порушується також розрахунковий режим роботи каскадів стиснення по температурах, що погіршує роботу 48816 4 АПО і сепараторів по ступеню охолодження газу і кількості відібраного конденсату, відповідно. Відмічені недоліки в реалізації режиму роботи системи охолодження погіршують показники її ефективності, оскільки недоохолодження газу приводить до зменшення відбору конденсату, а також до перевитрати паливного газу в газотурбінному приводі із-за збільшення роботи стиснення недоохолодженого газу в послідуючому каскаді стиснення. У відомій конструкції блоково-комплектної ТКУ для реалізації вказаного способу компримування не враховувалися також ряд умов, характерних для експлуатації ТКУ для газової і нафтової промисловості. До таких відноситься необхідність: - підтримки стабільного тиску газу на вході в установку (систему очищення газу) і можливості його регулювання по продуктивності і кінцевому тиску з метою розширення діапазону можливих режимів роботи ТКУ з врахуванням зміни діапазону частоти обертання ротора приводної турбіни; - захисту секцій стиснення ВК від попадання конденсату в проточну частину компресора в разі переповнення сепараторів конденсатом; - забезпечення ефективного регулювання продуктивності кожної секції стиснення на передпомпажних режимах; - захисту АПО від гідратоутворення в зимовий час в нижніх поясах трубних пучків теплообмінників АПО; - створення алгоритму керування роботою ТКУ, що забезпечує ефективне управління її роботою в широкому діапазоні значень експлуатаційних параметрів на всіх режимах роботи. При реалізації нового способу компримування і нової конструкції блоково-комплектної ТКУ виникла необхідність в створенні математичної моделі робочого процесу компримування, що дозволяє описувати режим роботи установки в широкому діапазоні значень технологічних параметрів і враховувати взаємний вплив елементів ТКУ в процесі її експлуатації, а також вплив її елементів на інтегральну характеристику установки. В основу корисної моделі поставлено завдання вдосконалення способу компримування газів різного складу при зміні їх теплофізичних властивостей і технологічних параметрів на вході в широкому діапазоні значень, а також вдосконалення конструкції елементів блоково-комплектної турбокомпресорної установки для реалізації способу компримування. Мета корисної моделі - підвищення ефективності і надійності роботи компресорного обладнання, що використовується при зборі і транспортуванні природного і нафтового газу, експлуатації родовищ природного газу, нафтових і газоконденсатних родовищ. Структура математичної моделі для аналізу робочого процесу блоково-комплектної ТКУ відображає структуру принципової технологічної схеми установки, до основних елементів якої відносяться (Фіг.1): 5 - технологічний контур і, зокрема, вхідна ділянка контура, оснащена краном-регулятором тиску газу 1 на вході в ТКУ (КРТ); - система очищення і сепарації двофазної суміші, що складається з сепараторів грубого і тонкого очищення вуглеводневого газу, що компримується (2,3,4,5,6); система компримування, що складається з каскадів стиснення відцентрового компресора, у тому числі секцій стиснення (7,8,9), оснащених спеціальними контурами з протипомпажними клапанами (10,11,12), а також система охолодження на основі АПО (13,14,15); - системи збору і транспорту конденсату (ємність для збору нафти і конденсату 16, відкачуючий насос 17); - газотурбінний або електричний привід 18 відцентрового компресора. Характеристики приводу при використанні математичної моделі в процесі аналізу робочого процесу установки вибираються на основі даних організації-розробника газотурбінного двигуна (ГТД). Математична модель робочого процесу ТКУ складається з декількох блоків-модулів, що описують різні стадії процесу моделювання: - початкових характеристик секцій стиснення, що формуються на основі бази даних безрозмірних газодинамічних характеристик; - перерахунку безрозмірних характеристик в розмірні з розділом сумарного відношення тиску по секціях стиснення і визначенням витрат потужності на стиснення газу в кожній секції при фіксованих температурах на вході і виході з секції стиснення; - процесу охолоджування газу після секцій стиснення в АПО за наявності геометричних характеристик; - моделювання характеристик спільної роботи окремих секцій стиснення і визначення запасів по помпажу. При реалізації кожної стадії процесу моделювання використовується наявний програмний модуль для визначення теплофізичних властивостей вуглеводневої суміші при поточних параметрах процесу стиснення. Математична модель робочого процесу блоково-комплектної ТКУ, розроблена в процесі створення корисної моделі, дозволяє здійснювати системний аналіз робочого процесу установки. При цьому під системним аналізом мається на увазі комплексне дослідження робочого процесу з врахуванням взаємного впливу всіх елементів, а також з врахуванням зміни їх характеристик у всьому діапазоні можливих режимів роботи установки. Алгоритм управління роботою ТКУ, створений на основі такого підходу, забезпечує найбільш ефективну і надійну експлуатацію установки, оскільки забезпечує узгодження вхідних і вихідних технологічних параметрів елементів установки в заданому діапазоні значень, а також її надійний захист при виникненні передпомпажних та інших небезпечних режимів роботи. Поставлене завдання вирішується завдяки тому, що відповідно до технічного рішення, що заявляється, технологічний контур установки і її 48816 6 елементи (системи) мають істотні особливості, що дозволяють найефективніше здійснити робочий процес ТКУ. Як видно з Фіг.1, вхідна ділянка технологічного контура установки оснащена краномрегулювальником тиску 1, що забезпечує зміну тиску (щільність) компримуємого газу у тому випадку, коли рівень тиску газу на вході в установку виходить за межі тиску, що не перекривається існуючими способами регулювання продуктивності і потужності ТКУ, зокрема, зміною частоти обертання ротора приводної турбіни ГТД 18 блоковокомплектного ТКА. При цьому кран-регулятор тиску 1 розташований на такій відстані від сепаратора грубого очищення 2, щоб процес коагуляції найдрібніших часток рідкої фази, що утворюється після дроселювання вуглеводневої суміші в робочих органах крана-регулятора тиску 1, здійснювався найефективніше. Укрупнення крапель рідини і збільшення їх маси підвищує ефективність відділення рідкої фази в сепараторі грубого очищення 2, який є сепаратором гравітаційної дії. Злив конденсату з кубової частини сепараторів грубого і тонкого очищення (3,4,5,6) в систему збору конденсату здійснюється автоматично при досягненні певного рівня рідини у відповідних ємностях, але при несправності елементів системи збору конденсату система автоматизованого управління ТКУ переводить установку в режим роботи «на кільце» (див. «пусковий контур», Фіг.1), що забезпечує надійну роботу компресора при несправностях в системі збору і видалення конденсату. Однією з особливостей турбокомпресорів для вуглеводневої суміші, особливо у випадку компримуванні нафтового газу, є істотна зміна теплофізичних властивостей газу і його констант уздовж технологічного контуру ТКУ, що обумовлено і охолодженням газу в окремих секціях стиснення і супроводжується виділенням конденсату. Діаграма фазової рівноваги і процес компримування нафтового газу з молекулярною масою 27,041кг/кмоль представлені на Фіг.2. Як показують результати розрахункового аналізу при стискуванні газу в діапазоні тиску 0,3927,45МПа і його охолоджуванні до температури 313К, на різних ступенях сепарації виділяється конденсату від 5,4 до 28,4% від масової продуктивності установки по двофазній суміші, а її молекулярна маса змінюється в діапазоні =27,04161,186кг/кмоль. У зв'язку з цим значення газової константи змінюється в діапазоні від 0,308кДж/кг к до 0,318кДж/кг к. Змінюється також показник адіабати, що істотно впливає на характеристики кожного ступеня в секції стискування ВК. З врахуванням вказаних чинників геометричні характеристики і кількість ступенів стискування вибираються з врахуванням зміни властивостей газу, що компримується, технологічного контуру і проточної частини ВК. Характеристики потужності окремих секцій (корпусів) і проточної частини компресора в цілому вибираються по мінімальному значенню молекулярної маси суміші, що компримується, а також з врахуванням діапазону значень частоти обертання 7 і потужності силової турбіни ГТД, в залежності від кліматичних умов району експлуатації ТКУ. Температура компримування газу у зв'язку з особливими властивостями стискуваної суміші повинна складати 423-433К щоб уникнути відкладення смолистих речовин в проточній частині ступенів ВК. У зв'язку зі зміною умов роботи ТКУ по складу і тиску газу на вході, а також у зв'язку зі зміною теплофізичних властивостей газу, що компримується уздовж технологічного контура ТКУ і проточної частини секцій ВК математична модель робочого процесу установки і алгоритм керування її роботою передбачають можливість скрізного перерахунку безрозмірних газодинамічних характеристик всіх секцій в єдину спільну розмірну характеристику компресора, що дозволяє контролювати і керувати зоною спільної стійкої роботи всіх секцій (корпусів) стискування ВК. Для захисту секцій (корпусів) стискування від помпажних режимів роботи кожна секція (корпус) оснащені протипомпажним контуром, що має протипомпажний клапан. Для підвищення автономності роботи ТКУ з газотурбінним приводом система підготовки паливного і пускового газу приводу може бути підключена до основного технологічного контура установки. У зв'язку з тим, що доля паливного газу при експлуатації ТКУ може складати 4-6% від її продуктивності, геометричні характеристики ступенів секцій (корпусів), перед якими виконується відбір паливного і пускового газу, повинні вибиратися з врахуванням величини відбору газу, тобто з врахуванням відповідного зменшення продуктивності секцій стискування ВК. Вказане рішення визначається з врахуванням розділення проточної частини ВК на ступені (каскади) і необхідного тиску паливного газу на вході в дозатор паливного газу ГТД, а також величини гідравлічних втрат тиску в блоці підготовки паливного і пускового газу. Як видно з математичної моделі робочого процесу блоково-комплектної ТКУ, після процесу здійснюється охолодження газу, що компримується, в АПО. Охолодження здійснюється до температури 313-333К. Рівень температур охолодження 48816 8 газу обумовлений як необхідністю відбору конденсату з двофазної вуглеводневої суміші, що утворюється після охолодження, так і необхідністю зниження витрат потужності на газу в каскаді ВК. Для забезпечення надійної і ефективної експлуатації ТКУ при знижених температурах в конструкції АПО 13,14,15 (Фіг.1) передбачені камери рециркуляції з регульовними жалюзі, які забезпечують циркуляцію теплого повітря, при одному із зупинених вентиляторів, в замкнутому просторі з камер рециркуляції, що знаходяться під теплообмінниками АПО, через теплообмінні апарати із закритими жалюзі і обичайку зупиненого вентилятора назад в камеру. При цьому забезпечується підігрівання нижніх поясів труб теплообмінників до температури, що перешкоджає утворенню гідратів в проточній АПО. Управління роботою приводних механізмів жалюзі, включення і виключення вентиляторів здійснюється автоматизованою системою управління, алгоритм роботи якої складений з врахуванням зміни температур навколишнього середовища і температури повітря в рециркуляційній камері. Алгоритм роботи автоматизованої системи керування в цілому передбачає контроль і узгодження режимів роботи всіх елементів блоковокомплектної ТКУ як складної технічної системи, що реалізовує основні технологічні процеси: компримування, охолоджування, сепарацію двофазної вуглеводневої суміші. При цьому характеристики всіх елементів системи керування установки, що реалізовують алгоритм керування, вибрані відповідно до певного діапазону зміни вхідних і вихідних параметрів кожного елементу, у тому числі і з врахуванням потреби ГТД в пусковому газі, а також з врахуванням зміни умов навколишнього середовища, а контроль режимів їх роботи і регулювання необхідних параметрів здійснюється шляхом функціонального впливу системи автоматизованого керування на відповідні виконавчі механізми у складі установки по заданому алгоритму, створеному відповідно до математичної моделі робочого процесу ТКУ. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 48816 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601