Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОМЕХАНИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА И КОНДЕНСАТА

Волков П.В. 1 Зятиков П.Н. 1 Большунов А.В. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Актуальность работы обусловлена необходимостью бесперебойной транспортировки газа и конденсата на межпромысловых и внутрипромысловых трубопроводах. В данной работе проанализированы результаты экспериментов на лабораторном стенде, который предотвращает гидратообразование. Принцип работы установки основан на аэромеханическом воздействии на поток смеси. Применяемые методы исследования: экспериментальные исследования на установке для теплофизического и аэромеханического воздействия для предотвращения гидратообразования методом моделирования условий реальной среды; методы использования и анализа удаления аналогичных частиц из потока газа. Результатом данной работы служит обоснование выбора способа воздействия на гидраты аэромеханическими методами и последующие рекомендации при строительстве опытно-промышленного образца для нефтегазодобывающих компаний и компаний по транспорту нефти и газа. Также в результате работы будет создано программное обеспечение, которое будет моделировать процесс образования гидратов, рассчитывать эффективность циклона для отделения газов от гидратов и определять оптимальные термобарические параметры. Программное обеспечение будет регулировать термобарические параметры, расход смеси и контроль ее качества. К данной модели привязаны различные блокировки для предотвращения аварии, будут установлены различные сигнализаторы аналогового и дискретного типа. Весь процесс при расчете с реальной средой будет моделироваться в программном продукте HYSYS. Входные параметры имеют реальные значения, которые предоставляет лаборатория промысла, а именно: состав газа, плотность, точка росы, содержание свободной воды, температура и давление на момент отбора пробы. При моделировании процесса и проведении экспериментов представлена общая структурная модель.
гидратообразование
циклон
экспериментальная установка
гидроаэромеханический метод
подготовка газа
1. Бухгалтер Э.Б. Метанол и его использование. М.: Недра, 1986. 240 с.
Bukhgalter E.B. Metanol and his use. M.: Nedra, 1986. 240 p. (in Russian).
2. Ахмедов М.И. Технология очистки метанолсодержащих сточных вод нефтегазоконденсатных месторождений //Нефтяное хозяйство. 2016. № 5. С. 106–108.
Akhmedov M.I. Technology for treating methanol-containing sewage from oil and gas fields // Neftyanoe xozyajstvo. 2016. № 5. Р. 106–108 (in Russian).
3. Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Теория и конструкция гидроциклона. М.: Недра, 1986. 172 с.
Mustafaev A.M., Gutman B.M. Theory and design of hydrocyclone. M.: Nedra, 1999. 172 p. (in Russian).
4. Тимербаев А.С., Лищук А.Н. Исследование особенностей процесса разделения водонефтяных эмульсий в центробежном сепараторе с крыльчаткой // Нефтяное хозяйство. 2014. № 12. С. 138–141.
Timerbaev A.S., Lishchuk A.N. Investigation of the features of the process of separation of water-oil emulsions in a centrifugal separator with an impeller // Oil Industry. 2014. No 12. Р. 138–141. (in Russian).
5. Волков П.В, Зятиков П.Н., Большунов А.В. Исследование и комплексное применение гидроаэромеханических методов для предотвращения гидратообразования при подготовке газа // Успехи современного естествознания. 2017. № 9. С. 52–56.
Volkov P.V., Zyatikov P.N., Bolchunov A.V. Research and combined application of hydro-aeromechanical methods for prevention of hydrate formation at preparation of gas // Advances in current natural sciences. 2017. № 9. С. 52–56 (in Russian).

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].

volk1.tif

Рис. 1. Кривая Никурадзе [3]

volk2.tif

Рис. 2. Схема эжектора [4]

Q = υcpS – общий расход воздуха (м3/с)

vol01.wmf – 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].

volk3.tif

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.


Библиографическая ссылка

Волков П.В., Зятиков П.Н., Большунов А.В. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОМЕХАНИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА И КОНДЕНСАТА // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 9. – С. 52-57;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36866 (дата обращения: 25.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074