В настоящее время на большинстве газовых и газоконденсатных месторождений России происходит заметное снижение пластового давления природного газа, что ведет к увеличению его начального влагосодержания. В значительной степени от эффективности и массо-габаритных характеристик работы разделительной аппаратуры зависят капиталовложения и эксплуатационные затраты, количество и качество вырабатываемых продуктов и межремонтный период технологических установок. Проблема образования гидратов на внутрипромысловых и магистральных трубопроводов 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 [1].
Цель исследования: разработать и испытать экспериментальный стенд для борьбы с гидратообразованием в реальных условиях. Сымитировать условия реальной среды и реального сырья, смоделировать весь процесс в программе HYSYS.
Материалы и методы исследования
Материалы и методы исследования: экспериментальный стенд, разработанный и установленный на базе Томского политехнического университета. Методом исследования являются эксперименты с различными термобарическими параметрами, которые имитируют реальные условия транспортировки газоконденсатной смеси. Также методом исследования является дублирование процесса в программном продукте HYSYS, который имеет возможность вносить различные сходные данные, например толщина грунта, толщина стенки, компонентный состав, протяженность трубопровода.
Установка для аэромехнического воздействия для предотвращения гидратообразования
Основные задачи, которые решались в рамках физического моделирования экспериментальной установки:
– расчет количества 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, расхода исходного количества гидратов, температуры и давления на установке и другие характеристики, влияющие на процесс удаления гидратов;
– выдача рекомендаций к проектированию опытного аппарата.
Программный комплекс HYSYS
Перед проведением эксперимента рассматривается его модель в программном продукте HYSYS для проведения более точного результата. Анализируются входной и выходной составы в зависимости от термобарических условий, технических характеристик трубопровода и среды. Использование программы HYSYS позволяет максимально приблизить условия эксперимента к реальным условиям.
Теоретическая часть
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 (рис. 1), находится средняя скорость по всему сечению трубы. По найденному значению средней скорости и площади сечения измерительной трубы вычисляется расход воздуха [2, 3].
Рис. 1. Кривая Никурадзе [3]
Рис. 2. Схема эжектора [4]
Q = υcpS – общий расход воздуха (м3/с)
– максимальная скорость потока воздуха (м/с), где Pд – перепад давления измеренный трубкой Пито (мм вод. ст.), размерность соответствует размерности кг/м2.
На рис. 2 детально представлен эжектор. Все обозначения элементов указаны на рисунке.
Подробный принцип действия экспериментальной установки описан в предыдущей статье [5]. В настоящее время были проведены эксперименты с дисперсностью реагента в 1,5–2 мм при скорости потока от 2 до 5 м/с с расходом до 15 м3/ч. Минимальное время нагревания температуры теплоносителя форбункера составило 15 с. По результатам исследований будут произведены расчеты потерь тепла, даны рекомендации по изменению мощности и типу теплоносителя, будут проанализированы термобарические параметры смеси и максимальная дисперсность частиц, которая может проходить через установку. На (рис. 3) представлена зависимость времени возвращения температуры теплоносителя к исходному значению от количества гидратов (концентрации потока). Задача экспериментальных наблюдений – свести параметр Δt>0 [4, 5].
Рис. 3. Результаты эксперимента по отделению льда из потока газа
Результаты исследования и их обсуждение
Проведем эксперимент с постоянным коэффициентом эжекции, диаметром сопла d = 4 мм и массой льда 45 г. Температура воздуха в форбункере и температура теплоносителя также остаются неизменными.
Узнаем, за сколько секунд восстановится температура воздуха в форбункере и температура теплоносителя после засыпания гидрата до первоначальных значений. t1 – температура теплоносителя, С °; t2 – температура воздуха в форбункере, С °; Lc – расстояние от среза сопла до начала смесительного участка, мм; Dс – диаметр сопла, мм. Результаты занесены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты эксперимента с постоянной массой льда и коэффициента эжекции
|
Р подачи, атм |
Lc, мм |
t время засыпания льда, с |
Масса льда, г |
t1 воздуха в форбункере, С ° |
t2 теплоносителя, С ° |
τ время восстановления, с |
|
1 |
5 |
20 |
45 |
40 |
65 |
240 |
|
2 |
5 |
15 |
45 |
40 |
65 |
325 |
|
3 |
5 |
10 |
45 |
40 |
65 |
390 |
По данным таблицы видно: чем меньше концентрация, тем меньше время необходимого для восстановления температуры воздуха в форбункере и температуры теплоносителя до первоначальных значений.
Проведем эксперимент по удалению воды с постоянным давлением подачи, с постоянным коэффициентом эжекции, с массой воды m = 150 г, с диаметром сопла d = 4 мм. Необходимо определить массу вылетевшей воды. Результаты занесены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты эксперимента по определению выноса воды из установки с постоянным давлением на входе в установку и постоянным диаметров сопла
|
Р подачи, атм |
Lc, мм |
Концентрация частиц, г/с |
Масса воды, г |
m, масса вылетевшей воды после прохождения циклона, г |
|
1 |
4 |
2,50 |
150 |
~1,23 |
|
1,66 |
~0,67 |
|||
|
1,25 |
~0,34 |
|||
|
2 |
4 |
2,50 |
150 |
~1,65 |
|
1,66 |
~1,32 |
|||
|
1,25 |
~0,91 |
|||
|
3 |
4 |
2,50 |
150 |
~2,03 |
|
1,66 |
~1,74 |
|||
|
1,25 |
~1,33 |
Эксперимент показал возможность удаления воды из потока смеси более чем на 98,64 %.
Проведем эксперимент по удалению механических примесей с постоянным давлением подачи, с постоянным коэффициентом эжекции, с массой механической примеси m = 150 г, дисперсностью 1–2 мм, с диаметром сопла d = 4 мм. Узнаем массу вылетевшей механической примеси. Результаты занесены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты эксперимента с постоянным давлением на входе в установку, постоянным коэффициентом эжекции и постоянной массой мехпримесей m = 150 г
|
Р подачи, атм |
Lc, мм |
Концентрация частиц, г/с |
m, масса вылетевшего мехпримеси после прохождения циклона, г |
|
1 |
5 |
2,50 |
~1,34 |
|
1,66 |
~1,12 |
||
|
1,25 |
~0,76 |
||
|
2 |
5 |
2,50 |
~1,76 |
|
1,66 |
~1,24 |
||
|
1,25 |
~0,87 |
||
|
3 |
5 |
2,50 |
~2,28 |
|
1,66 |
~1,89 |
||
|
1,25 |
~1,54 |
Эксперимент показал возможность удаления мехпримесей более чем на 98,48 %.
Проведем эксперимент с постоянным давлением подачи P = 1 атм, с постоянным коэффициентом эжекции, с массой льда m = 150 г с дисперсностью 2–4 мм, с диаметром сопла d = 4 мм. Температура воздуха в форбункере и температура теплоносителя также остаются неизменными. Узнаем массу вылетевшего льда после прохождения циклона. Результаты занесены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты эксперимента с постоянным давлением на входе в установку и постоянным коэффициентом эжекции
|
Lc, мм |
t1 воздуха в форбункере, °С |
t2 теплоносителя, °С |
m, масса вылетевшего льда после прохождения циклона, г |
|
|
4 |
2,50 |
45 |
65 |
~1,69 |
|
1,66 |
~1,42 |
|||
|
1,25 |
~1,23 |
|||
|
4 |
2,50 |
45 |
65 |
~2,12 |
|
1,66 |
~1,86 |
|||
|
1,25 |
~1,56 |
|||
|
4 |
2,50 |
45 |
65 |
~2,87 |
|
1,66 |
~2,43 |
|||
|
1,25 |
~1,98 |
По результатам эксперимента видно, что данная экспериментальная установка удаляет лед на >98,09 % в зависимости от концентрации и давления подачи газа. Графическое отображение результатов эксперимента № 4 отобразим на рис. 4.
Выводы
В данной работе были проанализированы результаты четырех экспериментов. Основной целью данных опытов была необходимость имитации движения потока газа в трубе в реальных условиях и возможность отделения льда из данной смеси (в реальных условиях – гидрата). Была проанализирована работоспособность разработанной установки экспериментальным путем. Были получены и интерпретированы результаты, выданы рекомендации для проведения усовершенствований измерений путем увеличения количества входных данных в программе HYSYS. При проведении экспериментов на экспериментальном стенде улавливания гидратов были использованы различные примеси, а именно лед, мехпримеси и вода. Все эти элементы из потока газа были удалены более чем на 98 %, что показывает эффективность работы установки во всех режимах. На рис. 3 показана степень отделения льда при различной концентрации, из графика видно, что степень отделения зависит от концентрации обратно пропорционально. В настоящее время по результатам экспериментов проводятся дополнительные настройки аппарата для отделения 99,9 % примесей при минимальных и средних концентрациях льда. Также производится расчет теплообменника для достижения условия Δt>0 при восстановлении температуры теплоносителя.