В настоящее время проблема образования гидратов на внутрипромысловых и магистральных трубопроводах очень актуальна. Скопление гидратов в сечении трубы приводит к уменьшению пропускной способности, дополнительной дросселяции потока, а в некоторых случаях и его полной остановке. Основной метод борьбы с гидратообразованием в промышленных масштабах – подача метанола в объеме идентичном сечению трубопровода, его длины и степени оседания и прилипания гидратов на участке. Также применяют подогрев газа или корпуса трубопроводов.
Образование гидратов
Гидратообразованием называется процесс объединения молекул газа с водой, возникающий при уменьшении температуры и увеличении давления газожидкостного потока внутри трубопровода. Данная реакция приводит к образованию гидратов, которые представляют собой белые кристаллы, похожие на снегообразную кристаллическую массу. На рис. 1 указаны параметры образования кристаллов гидрата метана [1].
Рис. 1. Области образования и разрушения гидратов газа метана [1]
Газ, поступающий из скважин, содержит влагу в жидкой и паровой фазе. Жидкая фаза извлекается сепараторами различной конструкции. С помощью установок осушки газа на головных сооружениях снижается содержание паров воды. При низком качестве осушки газа в газопроводе конденсируется влага и образуются кристаллогидраты, в результате чего снижается его пропускная способность. Максимальное содержание влаги в газе (в г на 1 м3 сухого газа) приближенно определяют по графику при температуре 20 °С и давлении 0,1013 МПа [2–4].
Кроме основных условий образования гидратов, существуют побочные: турбулентность движения газа, пульсации, наблюдающиеся при работе двигателей, резкие повороты ЛЧ МГ, сужения трубы и другие факторы, приводящие к перемешиванию газового потока [5]. Местонахождение гидратной пробки определяют замером давления на трассе по повышенному перепаду давлений на каком-либо участке при помощи радиолокационной антенны и передвижной радиолокационной станции, просвечиванием труб гамма-излучением с помощью радиоизотопного прибора РИК-6М. Максимальное содержание влаги (при полном насыщении) зависит от состава газа, возрастая с увеличением содержания тяжелых углеводородов, сероводорода и углекислого газа и снижаясь с повышением содержания азота [5].
Установка для теплофизического воздействия для предотвращения гидратообразования
Целью данной разработки является создание экспериментальной установки для борьбы с гидратообразованиями гидроаэромеханическими методами. Пропускная способность установки должна быть до 100 м3/час газа в реальных условиях [6–7]. В качестве моделирования процесса борьбы с гидратообразованием предложена схема (рис. 1), которая включает баллон со сжатым газом (азот, воздух, 40 л), эжектор с кольцевым соплом и приёмной воронкой, циклон с форбункером и его подогревом и фильтр для очистки газа. Основные задачи, которые решались в рамках физического моделирования экспериментальной установки:
– расчет подачи гидратов на установку, обеспечивающие их смешение и максимальную степень улавливания в результате прохождения через циклон;
– определение тепловых и газодинамических потоков внутри аппарата и оптимальных конструктивных параметров установки;
– определение оптимальных рабочих параметров работы установки – температуры, давления, расходов исходных гидратов, температуры и давления на установке и другие характеристики, влияющие на процесс удаления гидратов;
– выдача рекомендаций к проектированию опытного аппарата.
Механизм разрушения и удаления гидратов на экспериментальной установке гидроаэромеханическим методом
В приемную воронку 1 помещается лед (который по своим свойствам наиболее близок к кристаллам гидратов) с дисперсностью частиц до 8 мм. Из баллона через регулятор давления 4 и игольчатый вентиль 5 подается воздух с необходимым давлением на эжектор 2. В результате эжекционного эффекта образуется движение газового потока с кристаллами льда по транспортной трубе (Ду = 20 мм), затем двухфазный поток поступает в циклон 8, который отделяет твердую примесь потока и отправляет его вниз в форбункер с подогревом 9, где лед (в реальной системе – гидрат) разрушается. Газ продолжает движение дальше, где выходит из системы, а на выходе происходит процесс улавливания в приемной камере 13 (фильтр). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальный стенд улавливания гидратов: 1– воронка приемная; 2 – эжектор; 3 – регулятор давления; 4 – циклон; 5 – форбункер; 6 – датчик температуры
Основные требования к физической модели установки улавливания гидратов
1. Газ-имитатор, который будет использоваться в экспериментальном стенде – воздух, азот.
2. Диапазон изменения расхода газа – от 20 м3/ч до 100 м3/ч. При расходе воздуха 50 м3/ч через диаметр трубопровода 20 мм средняя скорость потока газа будет 44,21 м/с. Давление газа в трубопроводе от 1 атм до 2 атм. Температура газа в трубопроводе 5–25 °С.
3. Отношение диаметра транспортного трубопровода к диаметру (наибольшему сечению) частиц гидрата 3.
Число Рейнольдса:
Re = vρd/µ,
где v – характерная скорость газа, м/с; ρ – плотность газа, кг/м3; d – внутренний диаметр трубы, м; μ – динамическая вязкость, Па•с.
При скорости потока газа 44,21 м/с число Рейнольдса: Re = 58933, развитое турбулентное течение.
4. Длина и внутренний диаметр трубы экспериментальной установки – L = 800 мм, d – 20 мм.
5. Материал трубопровода – сталь.
6. Массовая концентрация частиц в трубопроводе – 0,08 – 1.
7. Подача льда с помощью эжектора. Массовый расход льда – от 3 до 20 кг/ч.
8. Необходимо измерение температуры в форбункере.
9. Необходимо измерять расход воздуха.
10. Взвешивать массу льда до начала и после эксперимента.
11. Мощность электронагревателя составляет 2 кВт.
Порядок проведения эксперимента
Подготовительная часть работы (настройка коэффициента эжекции и степени сжатия).
1. Открыть вентиль на баллоне, при закрытом вентиле редуктора.
2. Рукояткой редуктора выставить необходимое давление, ориентируясь по выходному манометру редуктора.
3. Установить необходимое расстояние от среза сопла до начала смесительного участка эжектора (Lc).
Примечание. Коэффициент эжекции зависит в основном от расстояния (Lc), а степень сжатия зависит от отношения площади сечения смесительного участка к площади критического сечения сопла.
4. Вращая сопло вправо или влево, уменьшают (Lc) или увеличивают, тем самым уменьшают или увеличивают коэффициент эжекции. Степень сжатия эжектора подбирается заменой сопла (прилагаются три варианта диаметра сопел 3 мм, 4 мм, 5 мм).
5. После установлении необходимого (Lc) затянуть контргайку.
Исследовательская часть работы
1. Включить измеритель температуры
2. Включить электроплитку для подогрева форбункера циклона.
3. По достижении необходимой температуры подогревающей жидкости открыть вентиль и вручную осуществить подачу твердых частиц гидрата в приемную воронку, соблюдая необходимую концентрацию частиц в потоке воздуха.
4. По окончании опыта закрыть вентиль, закрыть вентиль баллона, выключить электропитание измерителя температуры и подогревателя.
Примечание. Общий расход воздуха, используемый в проточной части установки, приближенно измеряется трубкой Пито-Прандтля в центре среза измерительной трубы. Принцип измерения заключается в измерении трубкой Пито максимальной скорости потока в центре измерительной трубы. Далее, по кривой Никурадзе находится средняя скорость по всему сечению трубы. По найденному значению средней скорости и площади сечения измерительной трубы вычисляется расход воздуха.
Максимальная скорость потока воздуха (м/с)
(1)
где Pд – перепад давления измеренный трубкой Пито (мм. вод. ст.), размерность соответствует с размерностью кг/м2, ? = 1,5•10-5 кинематическая вязкость воздуха [8].
Для ориентировочной оценки потребляемого газа (воздуха) из баллонов приведена методика определения массового расхода воздуха при разных значениях давления воздуха перед соплом и различных диаметров сопла. Формула для расчета расхода сжатого газа в зависимости от диаметра отверстия и давления в сети:
(2)
где G – расход сжатого газа, кг/час; f – площадь сопла, м2; Pабс – полное давление на сопле: Pабс = Ро + Ризб = 1 + Ризб,
где Ро – атмосферное давление в атм, Ризб – давление на манометре в атм; kр – показатель адиабаты, для воздуха kр = 1,4; R – газовая постоянная, для воздуха R = 287 дж/кг-град; Tp – температура газа в К, Tp = t °C + 273.
Произведем расчет для проведения эксперимента при отверстии 5 мм и при избыточном 5 атм [8].
В пересчете на нормальные м3/час получается G:
rгаз = 101[кг/ч]:1,23[кг/м3] ≈82 [м3/ч],
где rгаз = 1,23[кг/м3] – плотность воздуха при нормальных условиях.
Представим данные для расчета в таблице для аналогичных экспериментов.
Таблица расхода газа [9]
|
Давление атм |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
Диаметр сопла, мм |
1 |
1 |
2 |
3 |
3 |
4 |
5 |
5 |
6 |
7 |
7 |
|
2 |
5 |
8 |
11 |
13 |
16 |
19 |
21 |
24 |
27 |
30 |
|
|
3 |
12 |
18 |
24 |
30 |
36 |
42 |
48 |
54 |
60 |
66 |
|
|
4 |
21 |
32 |
43 |
54 |
64 |
75 |
86 |
97 |
107 |
118 |
|
|
5 |
34 |
50 |
67 |
84 |
101 |
117 |
134 |
151 |
168 |
185 |
|
|
6 |
48 |
72 |
97 |
121 |
145 |
169 |
193 |
217 |
242 |
266 |
|
|
7 |
66 |
99 |
132 |
164 |
197 |
230 |
263 |
296 |
329 |
362 |
|
|
8 |
86 |
129 |
172 |
215 |
258 |
301 |
344 |
387 |
430 |
473 |
|
|
9 |
109 |
163 |
217 |
272 |
326 |
381 |
435 |
489 |
544 |
598 |
|
|
10 |
134 |
201 |
268 |
336 |
403 |
470 |
537 |
604 |
671 |
738 |
|
|
11 |
162 |
244 |
325 |
406 |
487 |
568 |
650 |
731 |
812 |
893 |
|
|
12 |
193 |
290 |
387 |
483 |
580 |
677 |
773 |
870 |
966 |
1063 |
|
Выводы
В результате проведения работы по исследованию проблем образования гидратов и проблем очистки газа от механических примесей был предложен и изготовлен стенд для предотвращения гидратообразования гидроаэромеханическими методами. Исследования показали высокую эффективность предложенного метода. Были смоделированы различные реальные условия подготовки газа, разработана математическая модель процесса, а также начал разрабатываться программный комплекс для проведения расчетов для различных месторождений.