автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения газа на промыслах Крайнего Севера

На правах рукописи

ДАВЛЕТОВ КАСИМ МУХАМЕТГАРЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЩШ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА ПРОМЫСЛАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

РГ6 ОД

- 3 СЕН Ш

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.15.06 - Разработка и эксплуатация

нефтяных и газовых месторождешш

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

УФА 1998

Работа выполнена в Научно - технологическом центре предприятия "Надымгазпром" Российского акционерного общества "Газпром"

научный руководитель -

доктор технических наук, профессор О.М. ЕРМИЛОВ ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ -

доктор технических наук, профессор Ф.Ф. АБУЗОВА кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Н.В. ПЕСТРЕЦОВ ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Предприятие "ЯМБУРГГАЗДОБЫЧА"

Защита состоится: "_ 1998 г. в _часов на заседании дис-

сертационного совета Д 063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу : 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа-62, ул.Космонавтов,1.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке УГНТУ Автореферат разослан

го

" августа 1998г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор

Р.Н. БАХТИЗИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности промысловой подготовки газа совершенствованием процессов охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения (ABO), принципов и методов регулирования режимных параметров, обеспечивающих их надежную работу в широком диапазоне изменяющихся технологических параметров в условиях Крайнего Севера.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Основным газодобывающим регионом России является север Тюменской области. Крупнейшие, уникальные газовые месторождения региона вступили в компрессорный период эксплуатации. В связи с этим в зимний период работы ABO на сыром газе возникают проблемы, связанные с обеспечением требуемой температуры газа (10-5-18 )°С для эффективной осушки газа и теплового режима трубок ABO, исключающего гидратообразова-ние и выход их из строя. Охлаждение сырого газа существующими ABO при низких температурах окружающего воздуха приводит к образованию гидратов или повышению температуры его на выходе, что снижает надежность работы оборудования и эффективность промысловой подготовки газа. В связи с этим актуальным является исследование процессов охлаждения газа, их совершенствование и вопросы регулирования ABO для северных месторождений.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности процессов охлаждения газа и устойчивости работы ABO в условиях Крайнего Севера.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Разработка методики тепловых расчётов ABO при ограничениях по минимально допустимой температуре внутренней поверхности труб.

2. Аналитические и экспериментальные исследования влияния режимных и геометрических факторов на процессы охлаждения газа в условиях, ограничивающих температуру стенки труб.

3. Совершенствование процессов охлаждения газа на базе разработанных способов модернизации теплопередающих поверхностей ABO.

4. Разработка принципов и способов автоматического управления процессами охлаждения газа, обеспечивающих максимальную рекуперацию газа при не-

изменной заданной температуре стенки труб.

5. Технико-экономическая оптимизация режимных параметров процессов охлаждения газа и их регулирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработана методика тепловых расчётов ABO при ограничениях по минимально допустимой температуре внутренней поверхности труб.

2. Установлена зависимость допустимой входной температуры воздуха от минимально допустимой температуры стенки труб, температуры газа на входе в ABO и безразмерного параметра, являющегося функцией расходов, теплофизи-ческих свойств и схем движения теплоносителей, геометрии трубного пучка.

3. Разработаны принципы и способы управления процессами охлаждения газа в ABO, основанные на автоматическом регулировании расхода воздуха или его рециркуляции и обеспечивающие при постоянно минимально допустимой температуре стенки труб максимальную рекуперацию газа в любых практически реализуемых диапазонах изменения режимных параметров.

4. Разработана методика определения оптимальной температуры газа на выходе ABO, обеспечивающая минимальную себестоимость охлаждения и осушки газа в компрессорный период эксплуатации месторождений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. При разработке методик тепловых расчётов ABO с ограничениями по температуре стенки труб использовались аналитические методы исследований, применяемые в термогазодинамике, и методы теории подобия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

1. Методика тепловых расчетов ABO газа при ограничениях температуры стенки труб внедрена на предприятии "Надымгазпром" для обоснования режимов безгидратной эксплуатации аппаратов.

2. Разработанные методы повышения эффективности и устойчивости работы ABO в условиях Крайнего Севера на базе предлагаемых принципов автоматического регулирования процессов охлаждения природного газа позволяют обеспечить подготовку газа требуемого качества при минимальной его себестоимости и

увеличить надежность эксплуатации как вновь создаваемого, так и установленного оборудования.

3. Практические рекомендации по модернизации эксплуатирующихся ABO, основанные на регулировании расхода воздуха внутренней рециркуляцией методом контроля температуры стенки труб, внедрены на объектах месторождения Медвежье.

4. Разработанные автором принципы управления работы ABO, основанные на жалюзийном и ступенчатом регулировании расхода воздуха и газа на базе мониторинга температуры стенки теплообменных труб, внедрены на месторождении Медвежье.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы неоднократно рассматривались на научно-технических советах РАО "Газпром", предприятия "На-дымгазнром" в 1993-1997гг. Итоги отдельных работ докладывались на отраслевых научно-практических конференциях (г. Надым, Тюмень, Н-Уренгой).

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований автора опубликованы в 11 печатных работах, в т.ч. в 2-х научно-технических обзорах, 5 работ опубликованы без соавторов.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Содержит 195 страниц машинописного текста, включая 66 рисунков и 28 таблиц, список литературы из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении содержится общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цели и задачи исследований.

В первой главе проведен анализ влияния режимных параметров на технико-экономические показатели работы абсорбциошшх установок осушки газа в компрессорный период эксплуатации месторождений, показаны особенности эксплуатации ABO на газовых промыслах, приводится обзор отечественной и зарубежной литературы в области процессов охлаждения газа.

Температура процесса является основным фактором определяющим эффек-

тивность промысловой подготовки газа, влияние которого с вводом дожимных компрессорных станций (ДКС) многократно увеличивается. Обеспечение требуемой (необходимой) температуры газа (не выше 15ч-25 °С - зимой и 25 °С - летом) для его осушки зависит от конструкции, режима работы ABO и времени года. Отличительной особенностью эксплуатации ABO на газовых промыслах севера Западной Сибири является охлаждение сырого газа при низких температурах окружающего воздуха, приводящее к интенсивному образованию и отложению гидратов и дальнейшему разрыву теплообменник труб. Эксплуатация ABO на сыром газе приводит к необходимости обеспечения безгидратного режима их работы. Попытки использования ингибиторов гидратообразования для этих целей оказались технологически и экономически нецелесообразными.

Загидрачивание трубок ABO свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации стенки труб находятся при температуре ниже допустимой. Известно, что температура стенки (ter) в опасном сечении не может быть выше температуры газа на выходе ABO (tr DbIx). При одной и той же измеряемой ti-.вых температура стенки в опасном сечении может быть различной и зависит от сочетания таких режимных параметров, как расходы газа (Gr) и воздуха (Gx). Таким образом, trjibix не может являться объектом регулирования, т.к. при этом ter теплообмен-ной трубки не регулируется. Только в единственном случае, когда в качестве объекта регулирования является минимальная допустимая температура стенки (ter min) труб, управление процессом охлаждения газа полностью выполняет свои функции, обеспечивая требуемую tr.Bbix и безаварийную работу ABO.

Далее проведен анализ исследований в области процесса охлаждения газа в ABO, выполнявшихся ранее другими отечественными и зарубежными исследователями, - Белоконь Н.И., Бикчентай Р.И., Боришанский В.М., Вайсман В.Е., Вас-серман A.A., Васильев Ю.А., Вилемас Ю.В., Дегтярев Б.В., Загорученко В.А., Карпов A.A., Кунгыш В.Б., Кутателадзе С.С., Макогон Ю.Ф., Марголин В.М., Степанов O.A., Шмеркович В.М., Шпогаковский М.М., Ярхо СЛ. и многих других авторов. В этих работах подробно описаны теоретические основы теплопередачи, вопросы оптимизации и регулирования режимов работы ABO газа.

Показано отличие решаемых автором проблем в части постановок задач, применяемых методов решения и получеттых результатов.

Во второй главе показаны результаты исследований работы ABO газа, в частности, приведены: методика тепловых расчетов ABO газа при ограничениях по температуре внутренней поверхности труб и анализ влияния внешних факторов и режимных параметров на их температурно-расходные характеристики (ТРХ).

Ограничения по внутренней поверхности труб задаются условиями гидрато-образования в виде минимально допустимой температуры стенки труб tcT.MiN~const. Минимальная температура стенки в ABO с одноходовой по воздуху схемой и перекрестном токе реализуется в выходных но газу сечениях труб первого ряда пучка. Отсюда вытекает принципиальное отличие разработанной методики от традиционных: сначала выполняется тепловой расчет одиночной трубы первого ряда, в процессе которого решается обратная задача, - по заданным значениям температуры газа на входе (tr.bx), расходов газа и воздуха, íct.min определяются минимально допустимые температуры воздуха на входе (íx.bx) ABO. После этого проводится тепловой расчет пучка труб в целом. Конечным результатом тепловых расчетов по этой методике является получение ТРХ ABO в виде зависимостей tr.Bbix и Gx от температуры окружающего воздуха (txo)> обеспечивающих максимальную рекуперацию газа при tcT MiN^o^st. Эта методика, разработа-ная совместно с С.А. Ярхо, прошла многолетнюю апробацию в ЦКБН, ПО "Надымгазпром".

Анализ работы ABO газа в условиях северных месторождений выполнен для базового ABO типа "Крезо-Луар". Необходимость и задачи такого анализа видны из типичной ТРХ, представленной на рис.1. Главное, на что следует обратить внимание, - это необычное для аппаратов "газ - газ" увеличение температуры газа на выходе по мере роста температурного напора At=(tr.Bx - *хо) в области отрицательных температур окружающего воздуха.

Чтобы наглядно продемонстрировать роль режимных и геометрических факторов при работе ABO в условиях ограничения по íct.min» а также прояснить характер зависимостей tr-вых от tXo и GXo от txo, показанных на рис.1, запишем

о

(О

ч о

X

о «

Ан

140 120 100 80 60 40 20 0

об: (ги асть t( цратос !Х<10и( бразо! ание)

/ об (н пасть ;дорек /пераь С ия)

О

о

щ

W о

я св

я

се

В

а

d о, и С S

и

Н

-60

30 28 26 24 22 20 18

16 L

-50 -40 -30 -20 -10

10 20

i

44°С /

i / CTMIN- 10°С Gr=3 2,8 кг/ /

У /

/

\ / tcf =var

\ г

-60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10 20

Температура воздуха, С

Рис. 1. Температурно-расходная характеристика ABO фирмы Крезо-Луар при фиксированных параметрах trBX и Gr

g

уравнение баланса конвективных тепловых потоков для выходного сечения трубы 1-го ряда. При этом можно пренебречь тепловым сопротивлением стенки трубы и, принимая среднюю температуру воздуха на конце трубы равным txo. получим

<*rFr '('гни* -(ст) = ajfFOP ('ст (1)

где Fr, F0p - площади внутренней и наружной поверхности труб, м2.

Обозначив F0p¡Fr ~ç0P, получаем

+ {tcT-txo)-"^^- (2)

аг

Из уравнения (2) можно сделать вывод: во-первых, при фиксированных tCT, коэффициентах теплоотдачи от газа (аг) и к воздуху (ах) по мере понижения txo температура газа на выходе из трубы первого ряда повышается; во-вторых, при фиксированных температурах ter и tXo температура газа на выходе тем ниже, чем ниже расход воздуха и выше расход газа; в-третьих, tr-.вых снижается по мере уменьшения допустимой íCt; в-четвертых, снижение коэффициента оребрения трубы первого ряда при прочих равных условиях способствует более глубокому охлаждению газа; увеличение температуры газа на входе однозначно увеличивает выходную температуру газа. Выполненные количественные оценки влияния tr Dx, уровня tcT.MiN, Gr и Gx в широких диапазонах их изменения на зависимость ti-.вых от txo Для ABO в целом полностью подтвердили приведенные выше выводы.

Поскольку весь находящийся в эксплуатации парк ABO имеет такие же ТРХ, в дальнейшем настоящая работа осуществляется в трёх направлениях: модернизация действующего парка ABO; разработка аппаратов с лучшими ТРХ и разработка методов регулирования охлаждения газа, применяемых к действующему и новому оборудованию.

При анализе влияния геометрических факторов на ТРХ выявлены основные -рядность пучка, величина коэффициента оребрения первого по ходу воздуха ряда и схемы движения теплоносителей.

Результаты тепловых расчетов показали, что характеристики ABO с пучками труб пониженной рядности и с пониженным коэффициентом оребрения двух

первых по ходу воздуха рядов труб (комбинированное оребрение) в области низких температур окружающего воздуха значительно лучше ABO с перекрестным током теплоносителей по всем показателям: более низкая температура газа на выходе, более высокие допустимые расходы воздуха и, как следствие, расширение области рабочих температур tXo при умеренных расходах газа.

Сравнение результатов тепловых расчетов ABO с перекрестной схемой движения теплоносителей и пучками продольнооребренных труб ( противоточной v прямоточной) показывает, что в условиях ограничения по tCTMIN из 3-х схем организации движения первая является самой неэффективной в отношении, прежд« всего, степени охлаждения газа. Наоборот, применение продольноомываемы> труб позволяет (рис.2) достичь более низкую температуру газа на выходе при лю бых отрицательных tXo и обеспечить эффективное управление процессом охлаждения газа. Такие аппараты следует рассматривать как новое поколение ABO га за.

и

24 22 20

о §

m

3 18 в

3 16

% 14

<sj

12

<u L¿J

I 10

H

V

5 i

v

\

1 2

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Температура воздуха, С

Рис. 2. Сравнение эффективности охлаждения газа в ABO с перекрестным током, прямотоком и противотоком (tcT min=10°C): 1 - прямоток при <р=12; 2- прямоток при ср=20,7;

3- перекрестный ток при комбинированном оребрении;

4- перекрестный ток при <р=20,7; 5-противоток при ф=12

В третьей главе рассматриваются технические возможности и практическа реализация различных способов регулирования процессов охлаждения газа

ABO. Задача регулирования ABO - обеспечение технологически и экономически целесообразной степени охлаждения газа при любых изменениях внешних параметров (tXo, Gx ,G[ , trsx) при одновременном обеспечении надежности эксплуатации ABO. В зимний период эксплуатации минимально допустимая температура стенки труб является единственным параметром, ограничивающим возможность снижения температуры газа на выходе ABO. Поэтому управление процессом охлаждения должно быть направлено на поддержание неизменной Íct.min, а не требуемого tp дых- Поддержание Íct.min должно осуществляться автоматически с помощью датчиков-термопар, исполнительных органов, соответствующих конкретному способу регулирования, и аппаратуры обратной связи.

Способы регулирования. Из внешних параметров (txo, Gp, Gx, tr.nx), определяющих работу ABO, txo и tr.Bx являются независимыми и не подлежат регулированию. Вместе с тем на вход аппарата можно подавать воздух не при tXo, а предварительно нагрев его до температуры tXj?x- В этом случае имеем три параметра, допускающих регулирование: расходы воздуха, газа и входная температура воздуха. В соответствии с этими параметрами существуют и три способа регулирования охлаждения газа в ABO: частичная рециркуляция воздуха (позволяет изменять tx.Bx), регулирование переменным расходом воздуха (изменением числа оборотов приводов вентиляторов) и ступенчатое изменение расхода газа (отключением, включением и переключением аппаратов). Также возможно сочетание этих способов регулирования - комбинированное регулирование.

Далее приведены результаты сравнения всех способов регулирования ABO по их температурно-расходным характеристикам.

Регулирование переменным расходом воздуха. Из непрерывных способов регулирования этот способ наиболее простой и экономичный. Его следует рассматривать в двух вариантах: как самостоятельный способ регулирования и как вспомогательный, включенный в комбинированное регулирование. Этот способ регулирования эффективен в отношении глубины рекуперации по газу лишь в той степени, в какой эффективны ТРХ ABO.

Расходное регулирование для ABO с комбинированным оребрением эффективней и экономичней, чем для серийного аппарата, но самые лучшие результаты даёт применение этого способа к продольноомываемым ABO. Как самостоятельный способ, расходное регулирование безальтернативно при модернизации действующего парка серийных ABO, а также в ряде других случаев, например, при повышенных температурах газа на входе и двухступенчатом охлаждении в зимний период.

Регулирование путем частичной рециркуляции воздуха. Этот способ регулирования реализуется на практике путем применения регулируемых жалюзи: рециркуляционными, входными и выходными. Частичный возврат теплого воздуха на вход ABO позволяет вести охлаждение газа при любых входных температурах воздуха (txBx)> больших, чем температура наружного воздуха (tXo)- При этом основной регулируемый параметр - степень рециркуляции воздуха определяется по зависимости

где Gp — массовый расход воздуха, возвращаемого на вход аппарата, кг/с.

В общем случае степень рециркуляции воздуха зависит от всех режимных параметров, включая 1ст.мш- Это значит, что рециркуляция воздуха, обеспечивающая неизменность íctj^in, сопровождается изменением tr.iibix, íx.bx, *хвых-В частном случае, при постоянстве Gp, Gx, tr.nx, по мере изменения tXo остаются неизменными tr.Bbix, tx.Bx, tx.nbix> а степень рециркуляции определяется только изменением txo.

Несомненным преимуществом этого способа регулирования является обеспечение максимальной рекуперации по газу во всем диапазоне изменения значений txo. однако это справедливо лишь для ABO с перекрестной схемой движения теплоносителя (при продольном омывании расходное регулирование предпочтительнее во всех отношениях). Рециркуляционное регулирование допускает глубокое охлаждение газа при любых, рассмотренных выше ТРХ, разница будет отражаться лишь в себестоимости охлаждения - чем "хуже" характеристика, тем до-

(3)

роже обходится охлаждение. Рециркуляционный способ регулирования допускает работу ABO при уменьшенных расходах воздуха Gx, что в пределах допустимых tr.Bbrx. позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты. К очевидным недостаткам данного способа регулирования относятся высокие капитальные затраты и практическая невозможность его применения на эксплуатируемом оборудовании.

Ступенчатое регулирование расхода газа применяется в основном для сезонных изменений расхода газа через отдельные ABO, а также при изменениях расхода газа и его температуры в процессе длительной эксплуатации. Часто ступенчатое изменение расхода газа применяют в условиях свободноконвективного охлаждения газа при tXo >-25 °С. Таким образом, изменение числа работающих ABO, наличие летнего резерва аппаратов, вариации параллельного и последовательно-параллельного подключения являются объективно необходимыми. В этом смысле отпадает необходимость оценки преимуществ и недостатков этого способа регулирования расхода газа.

Четвертая глава посвящена промысловым испытаниям ABO при свободно-конвективном и вентиляторном охлаждении газа. При этом регулирование процесса проводилось методом ступенчатого изменения расхода газа.

Диапазоны изменения режимных параметров при испытаниях были следующие: tXo=(-36-H-2)°C; Gr=(14-35)Kr/c; tr.BX=(29,8-35)0C; Гст.мм =(-6,8-+4,9)°С.

Свободноконвективное охлаждение газа. В связи с тем, что расчетные данные по свободноконвективному теплообмену в пучках оребренных труб отсутствуют, обработка и обобщение опытных данных выполнены в виде зависимости безразмерных температур газа на выходе и стенки трубы от отношений массовых расходов воздуха и газа.

В процессе промысловых испытаний, из-за изменений всех режимных параметров, непосредственно получить ТРХ невозможно. Поэтому единственный путь для её определения через обобщение безразмерных параметров.

Расход воздуха определяется двумя путями: из уравнения теплового баланса аппарата и по величине естественной тяги (потери от гидравлического сопротивления пучка труб).

Получены тепловые характеристики ABO при свободноконвективном охлаждении газа в виде зависимостей:

А = *г вх ~ *г вых =0,018 + 0,195- — , (4)

¿г.вх ~ ^хо ^г

м = *г.вх-(ст.э _ о 284 + 0,185 •—, (5)

t —t с

1г.вх 1хо ^г

(Gx)p = 12,5-0,307-^, (6)

где tcT.3 - температура стенки трубы первого ряда по воздуху, °С; (GX)P -расчетный массовый расход воздуха, кг/с.

Область применения этих зависимостей ограничена перечисленными диапазонами изменения режимных параметров и конкретной конструкцией ABO. Тем не менее они обобщают опытные данные с хорошей для промысловых испытаний точностью. Максимальная погрешность определения безразмерной температуры газа на выходе ±3%, безразмерной температуры стенки ±4%, массового расхода воздуха ±12%. На основе именно этих обобщающих уравнений построены опытные ТРХ в виде зависимостей Gr от txo, Gx от tXo. ti-.вых от tXo; íct от tXo при ступенчатом изменении расхода газа.

Анализ полученных данных и самих характеристик показал следующее:

- во-первых, единственный параметр, контроль которого обеспечивает надежную работу ABO, - минимальная температура стенки трубы;

- во-вторых, при ступенчатом изменении расхода газа в условиях свобод-ноконвективного теплообмена аппараты практически постоянно работают в режиме недорекуперации по газу;

- в-третьих, величина свободноконвективной тяги настолько мала ( хотя и обеспечивает расход воздуха на уровне Gx=20Kr/c), что напор при скорости ветра 1-2 м/с превышает эту величину, т.е. незащищенные открытые аппараты при сво-

'Днокоивективном охлаждении работают в нестационарном режиме, вызванном ачительными колебаниями расхода воздуха.

Учитывая выше изложенное, а также то, что альтернативы действующему юрудованию в условиях свободноконвективного охлаждения в настоящее время :т, автором даны предложения по модернизации технологического процесса ох-ждения газа в этих условиях. Они касаются, прежде всего, применения жалобного регулирования расхода воздуха и автоматизации процесса, направленно-на поддержание неизменной минимальной температуры стенки труб. На осно-; тех же опытных данных была построена ТРХ для жалюзийного непрерывного тулирования охлаждения газа при tXo< -25°С. Такое регулирование, в отличие • ступенчатого, сводит к минимуму недорекуперацию по газу и повышает сте-;нь стабильности работы ABO. При этом не требуется ступенчатого изменения юхода газа.

Вентиляторное охлаждение газа. Обработка экспериментальных данных юведена по приведенной во второй главе методике тепловых расчетов ABO. результате расчётов каждого режима определены выходные параметры тепло-кителей, а также tCT mtn и средний по пучку коэффициент теплопередачи, теп->вые мощности ABO (Atr), которые совпали с измеренными в опытах значения-¡1 этих же параметров, с максимальными отклонениями ±6%. Опытная и расчет-1я температуры газа на выходе аппарата также совпадают: среднеквадратичное тслонение <т = ± 0,7°С.

Таким образом, сравнительный анализ экспериментальных и расчетных дан-.IX подтвердил применимость разработанной методики тепловых расчётов ABO >и ограничениях по íctmin-

Глава пятая посвящена технико-экономической оценке различных способов :гулирования охлаждения газа в ABO и разработке методик, рекомендаций по гашизации температуры газа, максимального расхода воздуха и потребного ко-иества ABO. На основе предложенной методики оценки среднесезонных ti-.вых) [ергетических затрат на прокачку теплоносителей и капитальных затрат, свя-нных со стоимостью самих аппаратов и системы автоматики, получены зависи-

мости сезонных эксплуатационных затрат и годовой себестоимости охлаждения газа от величины tr BX, Gr применительно к серийным ABO и аппаратам с комбинированным оребрением.Оцснка эффективности себестоимости охлаждения газа выполнена при суммарном расходе газа ZGr = 282,8 кг/с, tr.BX = 40 - 80°С, tr-вых =11.6 - 24°С (tcxMDj = Ю°С - в зимний период).

Предварительно выполнена технико-экономическая оценка себестоимости охлаждения газа в летний период эксплуатации (4 месяца), когда оборудование работает при максимальных расходах воздуха, и не требуется регулирование охлаждения.

Выполненные оценки показали, что эксплуатационные расходы при tr.Bx ~ 40°С линейно убывают с увеличением tr.Bbix, при tr.Bx = 80°С, зависимость этих расходов от ti-.вых слабая. В течение расчетного срока эксплуатации (20 лет) при tf вых =16-22°С эксплуатациошше расходы составляют 50 % от капитальных затрат. Технико-экономическая оценка при различных способах регулирования выполнена с учетом капитальных затрат, соответствующих 20 аппаратам, и летних эксплуатационных расходов (446,2 тыс. рублей).

Охлаждение газа с регулированием расхода воздуха. Оценки, выполненные для серийных ABO и аппаратов с комбинированным оребрением при расходном регулировании, показали: сезонные эксплуатационные затраты для обоих типов аппаратов практически одинаковы и равны 400 тыс. рублей за 8 месяцев эксплуатации, что составляет 27% от летних эксплуатационных расходов и 21% от годовых. При этом, однако, имеет место существенное различие температуры газа на выходе, для серийных ABO -21°С, ABO с комбинированным оребрением -16°С (в интервале tXo= 0 -30°С).

При стоимости одного аппарата 850 тыс. рублей и количестве 20 штук капитальные затраты составляют 17 млн. рублей. В течение расчетного срока эксплуатации эксплуатационные расходы с учетом летних составляют 11,35 млн. рублей, т.е. 67 % от капитальных затрат. Общая себестоимость охлаждения газа за весь период эксплуатации равна 28,35 млн. рублей.

Условия летней эксплуатации являются определяющими в формировании "о до вой себестоимости охлаждения газа независимо от способа регулирования и определяют необходимое количество ABO, максимальные расходы воздуха, т.е. сапитальные и эксплуатационные затраты.

Охлаждение газа при рециркуляционном регулировании. Оценка эффектив-юсти проводилась для одно - и двухступенчатого охлаждения газа для серийных \ВО и аппаратов с комбинированным оребрением и показала, что этот способ ¡егулирования позволяет достичь значения 1т,вых5 близкие к tcr.MiN во всем диапа-юне изменения txo в зимний период, даже в серийных ABO. При этом, однако, 'ксплуатационные затраты вдвое превышают затраты летнего периода (ABO ;руглогодично работают при максимальном расходе воздуха). Эксплуатационные атраты при рециркуляционном регулировании существенно уменьшаются при тзеличении выходной температуры газа, что достигается путем зимней эксплуатации на частичных расходах воздуха. Применение ABO с комбинированным |ребрением заметно сокращает эксплуатационные расходы, а при повышенных исходах газа (меньшем количестве ABO, работающих в зимнее время) - сокращает и капитальные затраты (па рециркуляционное оборудование). Так, сезонные ксплуатационные расходы для ABO с комбинированным оребрением в 3,7 раза иже, чем при работе серийных ABO при одинаковых ti-.вых-

Сравнение стоимостных показателей различных способов регулирования ри одинаковом 1г.вых= 16°С, переменном расходе воздуха и его рециркуляции оказывает, что эксплуатационные затраты на регулирование переменным расхо-ом воздуха выше, чем на рециркуляционное регулирование. Однако по годовой гбестоимости всех затрат расходное регулирование является более выгодным, асходное регулирование при перекрестном токе всегда будет обеспечивать бо-;с высокую tp.BbK ПРИ понижении tXo> чем рециркуляционное регулирование, езависимо от типа ABO и способа регулирования эксплуатационные расходы эи фиксированных ti-.вых резко возрастают при увеличении tr i3X. Так, при одно-упенчатом охлаждении при рециркуляционном регулировании серийных ABO

1Ь

(tr.Bbix-160C) увеличение tr.BX с 40 до 80°С сопровождается ростом сезонных эксплуатационных затрат с 50 до 750 тыс. рублей, т.е. в 15 раз. В ABO с комбинированным орсбрением, при тех же условиях, рост сезонных эксплуатационных затрат вдвое ниже. Как показали расчеты, применение двухступенчатого охлаждения газа при tr.Bx> 60°С в зимний период позволяет не только снизить trBbix, но и существенно снизить эксплуатационные затраты при любом способе регулирования, при любых рассмотренных типах ABO. Так, при tj-.вх = 80°С и tr,BbIX= 13,6°С эксплуатационные затраты для двухступенчатого охлаждения при расходно-рециркуляциоином регулировании составляет 350 тыс. рублей против 890 тыс. рублей при одноступенчатом рециркуляционном охлаждении и tr-.вых = 15,7°С. В целом можно заключить, что годовая себестоимость двухступенчатого охлаждения газа при любом способе регулирования и tr.nx =80°С практически равна годовой себестоимости одноступенчатого охлаждения при tr,Bx=40°C, что свидетельствует о безальтернативности двухступенчатого охлаждения газа в зимнее время при tr.Bx> 60°С и любых tr.Bx в летний период.

Оптимизация температуры газа на выходе ABO, максимального расхода воздуха и потребного количества аппаратов. Данный вопрос имеет два аспекта: технологический и экономический. В настоящем разделе рассмотрен экономический аспект оптимизации. Другими словами, ставится вопрос: какой должна быть tr-.вых ABO, каким должен быть максимальный расход воздуха через единичный аппарат и сколько необходимо аппаратов, чтобы себестоимость охлаждения газа была минимальной. В работе предложена и использована методика оптимизации, учитывающая различные режимные параметры, условия эксплуатации, конструкции ABO, способы регулирования. Результаты исследования по этой методике сводятся к следующему.

Температура газа на выходе ABO. Как уже отмечалось, снижение tr.Bbix в зимний период при рециркуляционном регулировании значительно увеличивает сезонные эксплуатационные расходы. Однако зависимость этих расходов от tr.Bbix существенно линейна: себестоимость охлаждения газа резко падает с ростом

^г.ных- На примере, приведенном в таблице (ЕОг = 282,8 кг/с, 1ГВх = 40°С, гст мт=Ю°С, Ог= 14,1 кг/с) наглядно видно, какой ценой обходится понижение выходной 1г.вых-

Сезонно-эксплуатационные затраты от температуры газа на выходе ABO

tr.Bbix ,°С 17 16 15 14 13

Сезонно-эксплуатационные затраты, тыс. руб. 30 50 90 200 700

Заметим, что аналогичный характер имеют зависимости сезонных эксплуатационных затрат от tr.Bbix для ABO газа с комбинированным орсбрением и при различных tr.Bx- Отсюда получаем важный вывод: рациональная для эксплуатации tr.Bbix в зимний период равна tCT+(4-^5°C).

Максимальный расход воздуха (Gx.max)- Как показали исследования данного вопроса, при фиксированных выходных температурах в пределах ti-.вьгх = tcr + +(<й-5°С) в зимний период, tr.Bbix=20-25°C при tXo=15°C в летний период, при рециркуляционном регулировании существует единственное значение Gx.max, при котором годовая себестоимость охлаждения минимальна: при большем Gx.max себестоимость возрастает за счет резкого увеличения эксплуатационных затрат, при метшем - за счет резкого увеличения капитальных. Установлено также, что величина (Gx.max)oiit для данного типа ABO не зависит от режимных параметров и условий эксплуатации ABO. Величина (Сх.мах)опт определяется для ABO конкретной конструкции лишь двумя параметрами - стоимости аппарата и 1 кВт/ч электроэнергии. Точнее говоря, (Gx.MAx)orrr определяется отношением этих стоимостей: чем больше это соотношение, тем больше (Gx.MAx)onT- Для серийного ABO «Крезо-Луар» при стоимости аппарата в 1 млн. руб. (Gx.MAx)orrr = =90 кг/с, при стоимости ABO 1,65 млн. руб. (Gx.max)oot = 120 кг/с, а для ABO с комбинированным оребрением при тех же стоимостях аппарата составляет (Gx.MAx)onT = 100 и 120 кг/с соответственно.

Потребное количество аппаратов. Минимальная себестоимость процесса охлаждения газа определяется Fie только (Сх.млх)опт, но и оптимальным потребным количеством ABO (п0пт)- Однако п0пт в отличие от (Сх.мах)опт является функци-

ей всех режимных параметров и условий эксплуатации. По предложенной методике п0пт рассчитывается при любых прогнозируемых режимных параметрах.

Методики определения оптимального максимального расхода воздуха и потребного количества аппаратов имеют важное практическое значение на стадии разработки и испытания нового технологического оборудования.

Однако охлаждение газа является не основной целью промысловой подготовки газа, а лишь необходимой, хотя и очень важной его частью. Известно, что эксплуатационные затраты на осушку газа тем меньше, чем ниже его температура, а затраты на охлаждение наоборот растут.

На величину суммарных сезонных эксплуатационных затрат на охлаждение и осушку газа в области температур 11-13°С, близких к tCXMIN, наибольшее влияние оказывают затраты на охлаждение газа, а в области высоких температур газа 20-24°С - затраты на осушку газа.

Следовательно, во-первых, суммарные сезонные эксплуатационные затраты имеют минимальные значения при trabix = 15-18°С для серийных ABO, при tr.Bbix=14-16,5°C - ABO с комбинированным оребрением; во-вторых, эксплуатационные затраты в течение компрессорного периода эксплуатации увеличиваются ( ~ в 2 раза ); в-третьих, сезонные эксплуатационные затраты на охлаждение и осушку газа при применении ABO с комбинированным оребрением в 1,1-1,3 раза ниже, чем для серийных ABO в диапазоне оптимальных температур газа 14-18СС.

Таким образом, определены оптимальные температуры газа на выходе ABO в течение компрессорного периода эксплуатации месторождения с учетом сезонных эксплуатационных затрат на его охлаждение и осушку.

На основе проведённого технико-экономического анализа и оптимизации технологических параметров сформулированы основные принципы регулирования процесса охлаждения газа в ABO:

- регулирование должно производиться по температуре внутренней поверхности труб первого ряда - для ABO с перекрестным током;

- регулирование должно обеспечить максимальную автоматизацию процесса управления охлаждением газа в зимний период;

2i

- оптимальное потребное количество ABO, как и оптимальный максимальный расход воздуха через отдельный аппарат, обеспечивающий минимальную себестоимость охлаждения газа, определяется по разработанной методике;

- регулирование переменным расходом воздуха, как самостоятельный способ регулирования, технически и экономически целесообразно применять: при двухступенчатом охлаждении газа, при использовании ABO с модернизированными теплопередающими поверхностями, при невозможности применения рециркуляционного регулирования на уже действующих ABO;

- рециркуляционное регулирование как самостоятельный способ технически обеспечивает самую низкую tr пых, однако является неэффективным из-за максимальных эксплуатационных и капитальных затрат;

- рациональным является рециркуляционное регулирование на частичных расходах воздуха, т.е. комбинированное регулирование - переменным расходом и рециркуляцией воздуха;

- при повышенных температурах газа на входе tr вх - 60°С и любых tr Вх в летнее время охлаждение газа должно быть только двухступенчатым;

- при любом способе регулирования применение ABO с комбинированным оребрением увеличивает степень рекуперации газа и снижает эксплуатационные и капитальные затраты;

- ступенчатое изменение расхода газа необходимо и экономически оправдано в следующих случаях: при экстремальных температурах газа на входе, при регулировании только расходом воздуха, в летний период и при эксплуатации ABO, не оснащенных системами регулирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика теплового расчета ABO, предназначенная для эксплуатации при ограничениях температуры внутренней поверхности труб.

2. На основе предложенной методики расчета выполнен теоретический анализ влияния режимных и геометрических факторов на температурно-расходные

характеристики ABO. Дано теоретическое обоснование их влияния на процесс охлаждения газа и определены направления совершенствования этих процессов.

3. Установлено, что серийные ABO газа в области отрицательных температур окружающего воздуха имеют неудовлетворительные температурные характеристики, требующие для обеспечения приемлемого уровня рекуперации газа и надежной работы аппаратов дорогостоящие и энергоемкие средства регулирования.

4. Разработаны методы повышения эффективности температурных характеристик ABO газа и соответствующие им способы модернизации самих аппаратов, включающие применение для зимних условий аппаратов с пучками труб пониженной рядности и комбинированным коэффициентом оребрения труб. Для ABO газа нового поколения целесообразно использование схемы охлаждения с продольным обтеканием труб воздухом. Обоснованы технологические параметры эксплуатации новых аппаратов.

5. Разработаны принципы и предложены способы автоматического управления процессами охлаждения газа, в основе которых заложено регулирование переменным расходом воздуха и его рециркуляцией, обеспечивающее при любых отклонениях режимных параметров минимальную температуру газа на выходе и надежность эксплуатации ABO путем поддержания неизменной заданной минимальной температуры стенки труб.

6. Проведены сравнительные оценки различных способов регулирования на базе сопоставления достигаемых уровней охлаждения газа, эксплуатационных и капитальных затрат в широких диапазонах изменения эксплуатационных параметров работы серийных и модернизированных ABO. Установлены и рекомендованы рациональные условия, способы и режимы регулирования.

7. Разработана и предложена методика оптимизации режимных параметров ABO (температура газа на выходе, максимальный расход воздуха, потребное количество аппаратов) на базе минимизации себестоимости охлаждения газа.

8. Определены и рекомендованы оптимальные температуры контакта в течение компрессорного периода эксплуатации месторождения, учитывающие экс-

плуатационные затраты на его охлаждение и осушку, в частности, для Ямсовей-ского газоконденсатного месторождения —(14ч-18)°С.

9. Проведены промысловые испытания ABO газа в зимний период при контроле температуры стенки труб первого ряда в условиях свободноконвективного и вентиляторного охлаждения. Обобщение и сравнение экспериментальных и расчетных данных подтвердили надежность разработанной методики тепловых расчетов.

10. Получены экспериментальные температурно-расходные характеристики ABO для ступенчатого регулирования расхода газа при контроле минимально допустимой температуры стенки труб. Даны предложения по внедрению принципов автоматического регулирования на эксплуатирующемся оборудовании газовых промыслов и модернизации его на основе контроля температуры стенки труб во всем диапазоне изменения температур наружного воздуха в зимний период.

По теме диссертации опубликовапы следующие работы:

1. Методика теплового расчёта аппаратов воздушного охлаждения газа при ограничениях по минимально допустимой температуре внутренней поверхности труб / K.M. Давлетов, Ю.А. Кашицкий, М.П. Игнатьев, С.А. Ярхо // Сер. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа: Научно-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1997. - № 9-10. - С. 39-45.

2. Давлетов K.M. Принципы регулирования охлаждения газа в ABO применительно к северным месторождениям // Сер. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа: Научно-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1997.-№9-10.- С. 45-52.

3. Давлетов K.M. Совершенствование процессов охлаждения газа и модернизация ABO применительно к северным месторождениям // Сер. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа: Научно-техн. сб. - М. : ИРЦ Газпром, 1997. - № 11.- С. 10-19.

4. Давлетов К. М., Чугунов JI.C., Кашицкий Ю.А. Результаты исследований работы аппаратов воздушного охлаждения газа в условиях северных месторождений // Сер. Подготовка и переработка газа и газового конденсата: Обз. инф. -М.: ИРЦ Газпром, 1998. - 42 с.

5. Давлетов K.M. Влияние режимных параметров на результаты теоретических исследований ABO газа // Сер. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа: Научно-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - № 3-4. - С. 14-24.

6. Давлетов K.M. Влияние геометрических факторов на результаты теоретических исследований ABO газа // Сер. Природный газ в качестве моторного топ-

лива. Подготовка, переработка и использование газа: Научно-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - № 3-4. - С. 40-51.

7. Влияние режимных параметров и компоновки на характеристики ABO в летних условиях эксплуатации / K.M. Давлетов, JI.C. Чугунов, С.С. Фесенко и др. // Сер. Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. Энергосбережение: Научно-техн. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - № 5. - С. 3-5.

8. Давлетов K.M. Ступенчатое регулирование расхода газа в ABO на месторождениях Крайнего Севера// Сер. Газификация. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. Энергосбережение. Научно-техн. сб. -М.: ИРЦ Газпром, 1998.-№ 5.-С.13-15.

9. Способы регулирования процессов охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения в условиях месторождений Крайнего Севера / К. М. Давлетов, JI.C. Чугунов, С.С. Фесенко и др. // Сер.: Подготовка и переработка газа и газового конденсата: Обз. инф. -М.: ИРЦ Газпром, 1998. - 43 с.

10. Ермилов О.М., Чугунов JI.C., Давлетов K.M. Методика расчета сезонных и годовых затрат при эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения газа па месторождениях Крайнего Севера И Сер. Экономика, организация и управление в газовой промышленности: Научно-экон. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - №1-2.

11. Ермилов О.М., Чугунов JI.C., Давлетов К.М. Оценка эффективности охлаждения газа ABO на месторождениях Крайнего Севера в летний период эксплуатации // Сер. Экономика, организация и управление в газовой промышленности: Научно-экон. сб. - М.: ИРЦ Газпром, 1998. - №1-2.-С.34 - 38.

С. 29-33.

Давлетов K.M.

Лицензия ЛР№ 030678 от 22.01.96 Подписано к печати 30.06.98. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Бумага ксероксная. Печать по методу ризографии. Тираж 100 экз. Зак.54.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА В КОМПРЕССОРНЫЙ ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРА ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ.

1.1. Влияние режимных параметров на показатели работы абсорбционной установки осушки газа.

1.2. Особенности эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения (ABO) на газовых промыслах.

1.3. Краткий обзор работ по исследованию процессов охлаждения газа в ABO.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ABO ГАЗА.

2.1. Методика тепловых расчётов ABO газа при ограничениях по температуре внутренней поверхности стенки труб.

2.2. Влияние внешних факторов и режимных параметров на внутренние характеристики ABO.

2.2.1. Влияние режимных параметров.

2.2.2. Влияние геометрических факторов.

2.3. Влияние режимных параметров и компоновки на характеристики ABO в летних условиях эксплуатации.

3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА В ABO И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

3.1. Задачи регулирования.

3.2. Объект регулирования.

3.3. Регулирование переменным расходом воздуха.

3.4. Ступенчатое регулирование расхода газа.

3.5.Регулирование путём частичной внешней рециркуляции воздуха.

3.6. Комбинированное регулирование и переходные режимы эксплуатации ABO.

4. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ABO ПРИ СВОБОДНОКОН-ВЕКТИВНОМ И ВЕНТИЛЯТОРНОМ ОХЛАЖДЕНИИ ГАЗА.

4.1. Методика измерений, обработки и обобщения опытных данных при свободноконвективном охлаждении газа.

4.2. Результаты обработки и обобщения опытных данных при свободно-конвективном охлаждении газа и их анализ.

4.3. Экспериментальные температурно-расходные характеристики при различных способах регулирования в условиях свободноконвективного охлаждения газа.

4.4. Экспериментальные исследования охлаждения газа при вентиляторном охлаждении.

4.5. Результаты сопоставления экспериментальных и расчетных данных и их анализ.

5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА В ABO И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ УСТАНОВОК ОСУШКИ ГАЗА.

5.1. Методика расчета сезонных и годовых затрат.

5.2. Себестоимость охлаждения газа в летний период.

5.3.Оценка эффективности и себестоимости охлаждения газа в ABO с регулированием расхода воздуха.

5.4. Оценка эффективности и себестоимости охлаждения газа в ABO с рециркуляционным и комбинированным регулированием.

5.5. Оптимизация максимального расхода воздуха и потребного количества ABO.

5.6. Влияние температуры газа (контакта) на технико-экономические показатели установок абсорбционной осушки газа в компрессорный период эксплуатации.

Подавляющее большинство запасов природного газа России, а также более 80% его добычи приходится на месторождения, расположенные на севере Западной Сибири. Большая часть доказанных запасов и практически вся добыча газа в этом регионе приходится на сеноманские отложения, характеризующиеся низкими значениями пластовых давлений и температур. Последнее обстоятельство явилось причиной применения на промыслах этих месторождений сорбционных методов осушки газа, очень чувствительных к термобарическим условиям эксплуатации, а также быстрого ввода дожимных компрессорных станций (ДКС). В настоящее время все крупнейшие и уникальные месторождения этого региона вступили в компрессорный период эксплуатации, причём, как показал практический опыт, наиболее целесообразным является расположение ДКС до установок комплексной подготовки газа (УКПГ) или, как минимум, первой ступени компримирования. Расчёты и опыт эксплуатации ABO на сыром газе показывают, что необходимо обеспечить безгидратный режим их работы. Методы обеспечения безгидратных режимов работы газопромысловых систем достаточно хорошо разработаны и широко известны: повышение температуры и снижение давления газа, впрыск ингибиторов гидратообразования, применение вибрационных методов воздействия на трубопроводы, осушка газа.

Повышение температуры и снижение давления газа в качестве методов предотвращения гидратообразования в условиях газовых промыслов таковыми не являются, т.к. противоречат стоящими перед газодобычей задачам.

Попытки использования ингибиторов гидратообразования для этих целей оказались технологически и экономически несостоятельными.

Так, применение метанола приводит к неизбежному попаданию некоторого количества его не только в систему осушки газа, но также и в аппараты системы регенерации гликолей. Наличие даже самых незначительных количеств метанола существенно осложняет работу десорберов. Технологический режим регенерации при этом восстанавливается лишь после полной выпарки метанола. Понятно, что при постоянном впрыске последнего нормализовать работу установок осушки не возможно.

Применение водных растворов гликолей в качестве ингибиторов гидратообразования также имеет свои недостатки: во-первых, они менее эффективны чем метанол; во-вторых, попадая в систему недостаточно очищенную от капель пластовой влаги, гликоли сильно засаливаются, что приводит к образованию такого количества трудноразрешимых проблем, что остальные недостатки от их применения можно просто не рассматривать.

Применение хлористого кальция также не может служить какой либо альтернативой, т.к., кроме засоления абсорбентов приводит ещё и к интенсивному коррозионному износу технологических трубопроводов и оборудования.

Использование ингибиторов гидратообразования на адсорбционных установках приводит к разрушению силикагеля, цеолита и любого другого твердого осушителя, со всеми вытекающими из этого последствиями.

Применение вибрационных методов воздействия не нашло широкого применения в промысловой практике из-за того, что оно не предотвращает образование гидратов, а лишь не позволяет им откладываться на стенках и создавать глухие гидратные пробки. Длительное применение вибрационного воздействия может, кроме того явиться причиной разгерметизации фланцевых и резьбовых соединений на трубопроводах, аппаратах и оборудовании.

Предварительная осушка газа, безусловно, решает проблему гидратообразования, но технические и экономические проблемы, которые при этом возникают многократно превышают по своей сложности рассматриваемую нами.

Таким образом, мы показали, что ни один из известных способов предотвращения гидратообразования не решает проблему эффективной эксплуатации аппаратов воздушного охлаждения газа.

Сами же ABO изначально не приспособлены для работы на неосу-шенном природном газе в условиях низких температур окружающего воздуха, т.к. в трубках подверженных наибольшему охлаждению происходит интенсивное образование и отложение гидратов и дальнейший разрыв самих трубок. Необходимым условием отложения гидратов и образования пробок является наличие холодных поверхностей, какими являются внутренние стенки теплообменных трубок. Поэтому температура внутренней стенки охлаждаемых трубок является критерием, ограничивающим возможности работы ABO в безгидратном режиме.

Всё вышесказанное привело к необходимости разработки принципиально новых решений и способов регулирования режимов работы ABO, предназначенных для работы на неосушенном природном газе в экстремальных природно-климатических условиях. Актуальность проблемы предопределила цель исследований.

Целью исследований автора является повышение эффективности Процессор охлаждения газа и устойчивости работы Й60 в условиях Крайнего Севера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить целый ряд теоретических, экспериментальных и прикладных задач по совершенствованию процесса охлаждения газа в ABO в компрессорный период эксплуатации месторождений, основными из которых, по мнению соискателя, являются следующие:

- разработка методики тепловых расчётов ABO при ограничениях по минимально допустимой температуре внутренней поверхности стенки труб;

- аналитические и экспериментальные исследования влияния режимных параметров и геометрических факторов на процессы охлаждения газа в условиях ограничивающих температуру стенки труб;

- разработка методов совершенствования процессов охлаждения газа на базе разработанных способов модернизации теплопередающих поверхностей ABO;

- разработка принципов и способов автоматического управления процессами охлаждения газа, обеспечивающих минимальную заданную температуру газа при неизменной заданной температуре стенки труб;

Промысловый опыт показал, что на поддержание качества абсорбента и возмещение его потерь уходит основная часть затрат при эксплуатации УКПГ. Одной из основных причин этого является высокая температура газа после газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и недостаточная степень охлаждения его на ABO газа.

В связи с вышесказанным автором была выполнена оценка влияния различных режимных и геометрических параметров, методов улучшения температурных характеристик и способов регулирования режимов работы ABO на экономические показатели газовых промыслов. На основе её для всех предложенных в диссертации методов и способов совершенствования процессов охлаждения газа получены оптимальные температуры его на выходе ABO в течение компрессорного периода эксплуатации.

Теоретические положения, результаты математического моделирования и промысловые исследования перечисленных выше проблем составили содержание настоящей диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика теплового расчета ABO, предназначенная для эксплуатации при ограничениях температуры внутренней поверхности труб.

2. На основе предложенной методики расчета выполнен теоретический анализ влияния режимных и геометрических факторов на температурно-расходные характеристики ABO. Дано теоретическое обоснование их влияния на процесс охлаждения газа и определены направления совершенствования этих процессов.

3. Установлено, что серийные ABO газа в области отрицательных температур окружающего воздуха имеют неудовлетворительные температурные характеристики, требующие для обеспечения приемлемого уровня рекуперации газа и надежной работы аппаратов дорогостоящие и энергоемкие средства регулирования.

4. Разработаны методы повышения эффективности температурных характеристик ABO газа и соответствующие им способы модернизации самих аппаратов, включающие применение для зимних условий аппаратов с пучками труб пониженной рядности и комбинированным коэффициентом оребрения труб. Для ABO газа нового поколения целесообразно использование схемы охлаждения с продольным обтеканием труб воздухом. Обоснованы технологические параметры эксплуатации новых аппаратов.

5. Разработаны принципы и предложены способы автоматического управления процессами охлаждения газа, в основе которых заложено регулирование переменным расходом воздуха и его рециркуляцией, обеспечивающее при любых отклонениях режимных параметров минимальную температуру газа на выходе и надежность эксплуатации ABO путем поддержания неизменной заданной минимальной температуры стенки труб.

6. Проведены сравнительные оценки различных способов регулирования на базе сопоставления достигаемых уровней охлаждения газа, эксплуатационных и капитальных затрат в широких диапазонах изменения эксплуатационных параметров работы серийных и модернизированных ABO. Установлены и ре комендованы рациональные условия, способы и режимы регулирования.

7. Разработана и предложена методика оптимизации режимных параметров ABO (температура газа на выходе, максимальный расход воздуха, потребное количество аппаратов) на базе минимизации себестоимости охлаждения газа.

8. Определены и рекомендованы оптимальные температуры контакта в течение компрессорного периода эксплуатации месторождения, учитывающие эксплуатационные затраты на его охлаждение и осушку, в частности, для Ямсо-вейского газоконденсатного месторождения - (14-г18)°С.

9. Проведены промысловые испытания ABO газа в зимний период при контроле температуры стенки труб первого ряда в условиях свободноконвек-тивного и вентиляторного охлаждения. Обобщение и сравнение экспериментальных и расчетных данных подтвердили надежность разработанной методики тепловых расчетов.

10. Получены экспериментальные температурно-расходные характеристики ABO для ступенчатого регулирования расхода газа при контроле минимально допустимой температуры стенки труб. Даны предложения по внедрению принципов автоматического регулирования на эксплуатирующемся оборудовании газовых промыслов и модернизации его на основе контроля температуры стенки труб во всем диапазоне изменения температур наружного воздуха в зимний период.

1. Основы расчёта и проектирования теплообменников воздушного охлаждения / Справ, под общей ред. Кунтыша В.Б., Бессонова А.Н. -СПБ: Недра, 1966, 512с.

2. Бахмат В.Г., Ерёмин Н.В., Степанов O.A. Аппарат воздушного охлаждения на компрессорных станциях. СПБ: Недра, 1994, 102 с.

3. Степанов O.A., Иванов В.А. Охлаждение газа и масла на компрессорных станциях. Л.: Недра, 1982, 143 с.

4. Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения. -М.: Химия, 1983, 168 с.

5. Марголин Г.А., Вайсман В.Е. Методика теплового и аэродинамического расчёта аппаратов воздушного охлаждения. М.: ВНИИНеф-темаш, 1982,45с.

6. Теплообменные аппараты холодильных установок / Данилова Г.Н., и др. Л.: Машиностроение, 1986, 245 с.

7. Интенсификация теплообмена / Вилемас Ю.В. и др. Вильнюс: МОКСЛАС, 1988, 248с.

8. Разработка рекомендаций и техдокументации для повышения эффективности и надёжности ABO на месторождении Медвежье: Отчёт о НИР ЦКБН: Подольск, 1993. 81 с.

9. F.L. Rubin. Winterising air cooled heat exchengers // Jornal Hydrocarbon Processing. 1980. V.59.-№ 10. - P.147-149.

10. G.M. Franklin, W.B. Munn. Air cooled heat exchengers // Oil and Gas Jornal, 1974. V.72. - № 25. - P.140-142.

11. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э. Теплоотдача и сопротивление пучков труб с высокими ребрами // Литовская академия наук. Энергетика. 1992г № 1. С. 67-73.

12. Результаты исследования теплообменных труб с разрезными поперечными ребрами / Б.И.Кокорев, В.Г.Вишневский, С.М.Семенов и др. // Теплоэнергетика. 1978. №2. - С. 35-37.

13. Кунтыш В.Б., Пиир А.Э. Интенсификация теплоотдачи трубных пучков продольной разрезкой спиральных накатных ребер / Изв. ВУЗов // Энергетика. 1991. №6. - С. 98-103.

14. Кунтыш В.Б. Интенсификация теплоотдачи шахматных пучков труб периферийной насечкой спиральных ребер / Изв.ВУЗов. Энергетика. 1993.- № 5-6. С. 111-117.

15. Миловидова Л.В. Современное состояние систем воздушного охлаждения в химической промышленности зарубежом /Химическая промышленность за рубежом, 1980г№ 12,-С. 35-41.

16. Гидравлический расчет котельных агрегатов (нормативный метод) /Под ред. В.А. Локшина, Д.Ф. Петерсона, А.П. Шверца.: М Энергия, 1978, 310 с.

17. Вассерман A.A., Казавчинский Я.З., Рабинович В.А. Теплофизические свойства воздуха и его компонентов АН СССР. М.: Наука, 1966, 242 с.

18. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов / Загорученко В.А., Бикчентай Р.Н., Вассерман A.A. и др. // Справочное пособие. М.: Недра. 1980, 320 с.

19. Термодинамика и теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности / Тр. МИНХ и ГП, Вып. 114.- М.:1975, 285 с.

20. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление / Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

21. Методические рекомендации по регулированию температуры газа, поступающего в газопровод в северных районах, и по выбору уровня охлаждения газа на КС газопроводах Медвежье Надым - Пун-га. -М.: ВНИИгаз. 1974, 32 с.

22. Рекомендации по эффективности охлаждения транспортируемого газа с применением аппаратов воздушного охлаждения (ABO) на компрессорных станциях I и II очередей газопровода Средняя Азия- Центр (САЦ). М.: ВНИИгаз, 1972, 43 с.

23. Шмеркович В.М. Аппараты воздушного охлаждения для технологических установок нефтеперерабатывающих и химических заводов. -М.: ЦИНТИХИМНефтемаш, 1967, 46 с.

24. Белоконь Н.И. Термодинамические процессы газотурбинных двигателей. М.: Недра, 1969, 212 с.

25. Загорученко В.А., Журавлев A.M. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. М.: Стандартгиз, 1969, 250 с.

26. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. -JL-M.: Госэнергоиздат, 1959, 344 с.

27. Методика теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения. М.: ВНИИнефтемаш, 1971, 35 с.

28. Методические рекомендации по регулированию температуры газа, поступающего в газопровод в северных районах и по выбору уровня охлаждения газа на КС газопровода Медвежье-Надым-Пунга.- М.: ВНИИгаз, 1974, 23 с.

29. Методические рекомендации для расчета систем охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов. -М.: ВНИИгаз, 1976, 27 с.

30. Бикчентай Р.Н., Степанов O.A. Результаты экспериментального исследования ABO природного газа в эксплуатационных условиях

31. Науч. техн. сб., сер.: Транспорт и хранение газа. - М.: ВНИИЭгаз-промг 1971т№3. -С. 12-16.

32. Бикчентай Р.Н., Шпотаковский М.М. Влияние расчетной температуры воздуха на выбор необходимого числа ABO природного газа на КС магистральных газопроводов / Газовая промышленность. 1976г№ 11. С. 31-33.

33. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Дытнерского Ю.И. -М.: Химия, 1983. 272 с.

34. Шпотаковский М.М. исследование систем возлушного охлаждения на компрессорных станциях магистральных газопроводов в различных климатических районах. Автореферет кандидатской диссертации. М: ВНИИгаз, 1978. 23 с.

35. Бикчентай Р.Н., Шпотаковский М.М., Панкратов B.C. Оптимизационные расчеты установок воздушного охлаждения газа в АРМ диспетчера КС // Обз.информ. Сер. Автоматизация телемеханизация и связь в газовой промышленности. -М.: ИРЦ Газпром. 1993, 35 с.

36. Галанин И.А., Бородина И.И. Влияние различных факторов на показатели установки осушки газа // Реф. сб. Подготовка и переработка газа и газового конденсата. М.: ВНИИЭГазпром.-1978г№ 6. -С. 7-17.

37. Манинг В.Р, Вуд Х.С. Основные положения конструирования аппаратов для осушки гликолями // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, М.: Недра 1993. - № 9. - С. 46-56.

38. Крамер Д.Л, Кук У.Р. Осушка газа: оптимизация работы действующих установок. Часть 1. Определение требований к качеству гликоля и скорости // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. М.: Недра,-1981г№ 1. -С. 21-24.

39. Крамер Д.Л., Кук У.Р. Осушка газа: оптимизация работы действующих установок. Часть 2. Влияние эксплуатационных переменных показателей на эффективность осушки газа // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. М.: Недра.-1981г№ 2. - С. 16-21.

40. Бекиров Т.М. Промысловая и заводская обработка природных и нефтяных газов. М.: Недра, 1980, 385 с.

41. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. М.: Недра, 1986, 305 с.

42. Суринович Р.К. Опыт эксплуатации ABO на компрессорных станциях / Транспорт и хранение газа М.: ВНИИЭгазпром, 1978, № 6. 31 с.

43. Булгакова Т.Я. Исследование и расчет осушки газа ДЭГом в прямоточном контакторе //Газовая промышленность.-1975.-№ 7. С. 45-47.

44. Методика расчета аппарата воздушного охлаждения газа. М.: ВНИИгаз, 19827 31 с.

45. Бык С.Ш., Макагон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980, 296 с.

46. Блок регенерации ДЭГа высокой концентрации/ Гайдук Б.В., Гайдук Б.В., Отвечалин Л.П., Пуханов А.И. и др.// Газовая промышленность. 1982. - №9. - С. 28-29.

47. ОСТ 51.40-93. Газы горючие природные, поставляемые и транспортируемые по магистральным газопроводам. Технические условия. -М.: Изд во стандартов, 1993, 7 с.

48. Васильев Ю.Н., Марголин Г.А. Системы охлаждения компрессорных и нефтеперекачивающих станций. М.: Недра, 1978, 222 с.

49. Гудков С.Ф., Бекиров Т.М. Абсорбция углеводородных газов при высоких давлениях. М.: ВНИИЭгазпром, 1973, 28 с.

50. Гухман JI.M., Касперович А.Г. Аналитический метод расчета вла-госодержания природного газа // Газовая промышленность.-1974г №7 -С. 53.-55.

51. Гухман J1.M. Подготовка газа северных газовых месторождений к дальнему транспорту. JL: Недра, 1980, 162 с.

52. Жданова Н.В., Халиф A.JL Осушка углеводородных газов.- М.: Химия, 1984, 190 с.w

53. Жданова H.B., Халиф A.JI. Осушка природных газов.- М: Недра, 1975, 158 с.

54. Инструкция по расчету влагосодержания природного газа / Тюмен-НИИГИПРОгаз. Тюмень, 1982, 60 с.

55. Кашицкий Ю.А., Зиберт Г.К., Сун A.M. Анализ состояния абсорб-ционнго оборудования // Газовая промышленностьг1980г№1. С. 21-24.

56. Катц Д.Л. Руководство по добыче, транспорту и переработке природного газа. М.: Недра, 1965, 674 с.

57. Кемпбел Э.М. Очистка и переработка природных газов. М.: Недра, 1977,360 с.

58. Коротаев Ю.П., Гвоздев Б.П., Гриценко А.И. Подготовка газа к транспорту М.: Недра, 1973, 385 с.

59. Коротаев Ю.П., Кулиев A.M., Мусаев P.M. Борьба с гидратами при транспорте природных газов. М.: Недра, 1973, 136 с.

60. Коуль А.Л., Ризенфельд Ф.С. Очистка газа. М.: Недра, 1986, 535 с.

61. Кулиев A.M., Алекперов Г.З., Тагиев В.Г. Технология и моделирование процессов подготовки природного газа. М.: Недра, 1978, 232 с.

62. Методические указания к практическим занятиям по курсу "Сбор и подготовка скважинной продукции" / УГНТУ, Уфа, 1994, 49 с.

63. Методические указания по технологическим расчетам систем адсорбционной осушки газа / ТюменНИИГИПРОГаз. Тюмень, 1979, 56 с.

64. Методические указания по технологическим расчетам систем абсорбционной осушки газа / ТюменНИИГИПРОГаз. Тюмень, 1984, 152 с.

65. Попов В.И, Семенова Т.В. Способы осушки природного газа и газового конденсата // Переработка газа и газового конденсата: Обзор, информ. -М.: ВНИИЭгазпром.-1976г№5.- С. 11-15.

66. К вопросу очистки минерализованного ДЭГа / Попов А.И., Семы-кина Л.И., Щербак А.И., Давлетов K.M. // Экспресс-информ., сер.:

67. Подготовка, переработка и использование газа. М.: ВНИИЭгаз-пром.~1987г№10. - С.1-3.

68. Саркисьянц Г.А. Предупреждение образования гидратов. М.: Гос-топиздат, 1958, 96 с.

69. Туревский Е.Н, Александров И.А., Халиф А.Л. Схема и методы расчетов процессов абсорбции.- М.: ВНИИЭгазпром, 1969, 115 с.

70. Давлетов K.M. Комплексная очистка диэтиленгликоля на абсорбционных установках осушки газа месторождения Медвежье // Сб. науч. тр.: Повышение эффективности освоения газовых месторождений Крайнего Севера. М.: Наука.4997. - С.-354 - 362.

71. Давлетов K.M., Демин B.M. Новые научно-технические решения при освоении Юбилейного и Ямсовейского месторождений

72. Сб.науч. тр.: Повышение эффективности освоения газовых месторождений Крайнего Севера. -М.: Наука-1997. С. 276-283.

73. Опыт эксплуатации и модернизации сепарационного оборудования на объектах добычи газа северных месторождений / K.M. Давлетов, О.Г. Комаров, В.А. Ставицкий и др. М.: Химическое и нефтяное машиностроение,-№ 12,-1995, -С. 34 - 36.

74. Модернизация установок вакуумной регенерации диэтиленгликоля на газовом месторождении Медвежье / Воронин В.И., Зиберт Г.К., Салихов З.С., Давлетов K.M. М.: Химическое и нефтяное машино-строение,-№6,-1995, -С. 32 - 33.

75. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов B.J1. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. -М.: Химия, 1979, 320 с.

76. Кафаров В.В., Ветохин В.Н. Основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Наука, 1987, 624 с.

77. Хафизов А.Р., Чеботарев В.В. Абызгильдин А.Ю. Процессы абсорбционного разделения при подготовке газа: Учебное пособие. -УГНТУ, Уфа, 1997, 140 с.

78. Давлетов К. М., Чугунов J1.C., Кашицкий Ю.А. Результаты исследований работы аппаратов воздушного охлаждения газа в условиях северных месторождений // Обз. инф. сер.: Подготовка и переработка газа и газового конденсата. М.: ИРЦ Газпром, 1998, 42 с.

79. Давлетов K.M. Влияние режимных параметров на результаты теоретических исследований ABO газа // Научно-техн. сб. сер.: Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. М.: ИРЦ Газпром.-1998.-№ 3-4. - С. 14-24.

80. Ситдиков Р.Х., Сафин А.Х., Гильченок А.Н. Компрессорное оборудование с воздушным охлаждением / Обз. информ., сер.: ХМ-5 М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983, 58 с.

81. Шмеркович В.М. Применение ABO при проектировании нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. М.: ЦНИИТЭнефте-хим, 1971,112 с.

82. Клюсов В.А., Касперович А.Г. Анализ эффективности работы систем абсорбционной осушки природного газа / Обз. информ. сер.: Подготовка и переработка газа и газового конденсата. М: ВНИИЭгазпром, 1984, №9, 54 с.

83. Шмеркович В.М. Современные конструкции аппаратов воздушного охлаждения / Обз. информ. сер.: ХМ 1. - М.: ЦНИНТИхимнефте-маш, 1979,68 с.

84. Опыт эксплуатации многофункциональных аппаратов на Уренгойском месторождении / Клюсов В.А. Щипачев В.Б. Гузов В.Ф. и др. // Обз. информ. сер.: Подготовка и переработка газа и газового конденсата. М.: ВНИИЭгазпром, 1987, №4, 28 с.

85. Стрижов В.В., Гриценко А.И., Ермилов О.М. Газовые месторождения Севера: новый подход к периодам разработки // Газовая промышленность.-1984 .-№4. С. 30-31.