Определение основных величин, характеризующих процессы осушки газа и регенерации дэга

 

В промысловых условиях основными величинами, влияющими на экономику промысловой обработки и транспорта газа, являются глубина осушки газа на УКПГ, технологические потери ДЭГа (с осушенным газом и рефлюксом при регенерации абсорбента), кратность циркуляции ДЭГа. Эти величины зависят от ряда параметров работы УКПГ: условий контакта (давления и температуры) в абсорбере, концентрации регенерированного ДЭГа, производительности УКПГ по газу и состояния оборудования (внутренних устройств сепараторов, абсорберов, фильтров, десорберов, испарителей), технологического режима работы установки регенерации ДЭГа.

1. Влагосодержание природного газа

В процессе добычи и промысловой обработки газ контактирует с несколькими конденсированными фазами. В пластовых условиях газ находится в равновесии с пластовой водой. После выхода на поверхность в результате снижения температуры происходит конденсация растворённой в газе влаги. В результате этого в системе сбора и входных сепараторах УКПГ газ контактирует с выпадающей из него конденсационной водой. В случае подачи метанола на устье скважин газ контактирует с водным раствором метанола. Затем в абсорбере газ контактирует с водным раствором ДЭГа.

Таким образом, по пути из пласта в магистральный газопровод влагосодержание газа падает в результате охлаждения и осушки. Количество выпадающей влаги можно оценить, используя уравнения, таблицы, номограммы, описывающие равновесие газа с водой и с растворами ДЭГа.

Влагосодержание тощего (сеноманского) газа, равновесного с водой, определяется по уравнению

 

, г/м³ (1)

 

где - давление насыщенного водяного пара, МПа;

Р – давление газа, МПа;

В – поправка на неидеальность "раствора" водяного пара в газе, г/м^3. МПа.

Давление насыщенного пара воды определяется по уравнению

 

= exp[-0,60212(0,01t)⁴+1,475(0,01t)³ -2,97304(0,01t)²+

+7,19863 (0,01t)+6,41465]. (2)

 

Поправка на неидеальность описывается следующей зависимостью от температуры

 

В = exp[0,06058(0,01t)⁴-0,3798(0,01t)³ +1,06606(0,01t)² –

– 2,00075(0,01t)+4,2216]. (3)

 

 

Для оперативных расчётов на рисунке 1 представлена номограмма зависимости W(г/м³) – Р(МПа) – t(⁰С).

Она позволяет определить влагосодержание газа, равновесного с водой при заданных давлении и температуре, точку росы по воде газа с известным влагосодержанием при заданном давлении, давление насыщения газа при известных температуре и влагосодержании.

 

 

Рисунок 1 – Номограмма для определения влагосодержания природного газа

 

2. Влагосодержание газа, равновесного с раствором ДЭГа

В процессе осушки газ контактирует в абсорбере с растворами ДЭГа. В реальных аппаратах равновесие не достигается, и влагосодержание газа после осушки выше, чем равновесное с регенерированным ДЭГом при условиях осушки. Однако расчёт влагосодержания газа, равновесного с ДЭом, позволяет определить потенциальные возможности процесса осушки, т.е. минимальную влажность, которая может быть достигнута при контакте с гликолем заданной концентрации при известных условиях осушки.

Влагосодержание газа, равновесного с ДЭГом, определяется по формуле

 

W^*= Wcg_в, г/м³ (4)

 

где c – мольная доля воды в растворе ДЭГа;

g_в – коэффициент активности воды в растворе ДЭГа;

Мольная доля воды связана с массовой концентрацией ДЭГа (g, % мас.) соотношением

, (5)

 

Коэффициент активности определяется по уравнению, справедливому для условий осушки в области температур от 0 до 30 ⁰С

 

g_в = exp{-2,3[0,0245c/(1-c)+0,137]^-2(t+273,15)^-1} (6)

 

Для оперативного определения влагосодержания газа, равновесного с растворами ДЭГа, на рисунке 2 представлена номограмма. С помощью её можно определить: точку росы по воде и влагосодержание газа, равновесного с раствором ДЭГа известной концентрации при заданных условиях контакта "газ - гликоль", требуемую концентрацию ДЭГа для достижения заданной влажности газа при известных условиях; давление и температуру контакта "газ - гликоль", необходимые для достижения заданной влажности газа при осушке его раствором известной концентрации.

 

Рисунок 2 – Номограмма для определения влагосодержания газа,

равновесного с растворами ДЭГа

 

3. Кратность циркуляции ДЭГа

Глубина осушки газа в абсорбере зависит от условий контакта (Р, t), концентрации регенерированного ДЭГа и кратности циркуляции абсорбента или его удельного расхода. Чем выше давление и ниже температура контакта в абсорбере, тем ниже влагосодержание осушенного газа.

Однако давление и температура контакта в промысловых условиях – параметры, обычно не регулируемые, поэтому они играют пассивную роль. Повышение концентрации регенерированного гликоля и увеличение подачи его в абсорбер (кратности циркуляции) ведёт к увеличению глубины осушки газа.

Поскольку концентрация ДЭГа зависит от технологического режима и возможностей установки регенерации, то по экономическим соображениям кратность циркуляции абсорбента должна устанавливаться не выше той, которая обеспечивает заданную глубину осушки газа при условиях контакта и достигнутой концентрации регенерированного ДЭГа. Для расчёта требуемой кратности циркуляции необходимо выполнить технологический расчёт абсорбера.

Для оперативных расчётов построена номограмма, представленная на рисунке 3, описывающая взаимосвязь температуры контакта, влагосодержания осушенного газа, концентрации регенерированного ДЭГа и кратности его циркуляции. За основу принят тарельчатый абсорбер, оснащённый 15-колпачковыми тарелками. Опыт эксплуатации таких абсорберов показывает, что КПД колпачковых тарелок в процессе гликолиевой осушки составляет 0,15 – 0,25. Поэтому при расчётах КПД был принят равным 0,2. Давление контакта было принято 7,5 МПа, унос влаги из сепаратора 30 г/тыс.м³. Опыт эксплуатации северных газовых месторождений и данные промысловых испытаний показывает, что абсорберы нового типа с пятью ступенями контакта (ситчатые и центробежные сепарационные тарелки конструкции ЦКБН), устанавливаемые на УКПГ Уренгойского месторождения, имеют близкие технологические характеристики. Поэтому представленная номограмма приемлема для оценочных расчётов всех применяемых на северных месторождениях типов абсорберов.

 

Рисунок 3 – Номограмма для определения технологических параметров работы абсорбера осушки природного газаДЭГом при обычных условиях (унос воды из входного сепаратора 30 г/тыс. м³; давление 7,5 МПа; абсорбер оборудован 15 – колпачковыми тарелками с КПД ~ 0,2)

С помощью указанной номограммы можно выполнять расчёты требуемой кратности циркуляции ДЭГа, концентрации ДЭГа, до которой необходимо его регенерировать, чтобы достичь требуемой глубины осушки газа при заданной кратности циркуляции, влагосодержания и точки росы газа, достигаемых при фактически установленном технологическом режиме.

 

 

Обработка ДЭГа в абсорберах

4. Отработка ДЭГа в абсорберах

Отработанный в абсорбере ДЭГ является сырьем для установки регенерации, поэтому его концентрация оказывает существенное влияние на технологический режим и эффективность работы этого блока.

Расчёт концентрации отработанного ДЭГа выполняется по уравнению материального баланса абсорбции

 

, (7)

 

где g_к – концентрация отработанного раствора ДЭГа, % мас;

g_н – концентрация регенерированного раствора ДЭГа, % мас;

W_н – влагосодержание сырого газа сепарации, г/м³;

W_к – влагосодержание осушенного газа, г/м³;

L/Q – кратность циркуляции абсорбента, кг ДЭГа/тыс.м³ газа.

Величина W_н определяется по уравнению (1 - 3) или по номограмме как функция от температуры и давления в сепараторе.

После чего к найденной равновесной влажности прибавляется унос из сепаратора (u, г/тыс.м³): W_н=W+u/100.

Величина W_к рассчитывается по тем же уравнениям и номограмме как функция от точки росы газа при заданном давлении его транспорта, например, 7,5 МПа.

7. Концентрация ДЭГа в рефлюксе

Верхний продукт регенерации ДЭГа – рефлюкс представляет собой сконденсированные пары с тарелки десорбера. Поэтому концентрация гликоля в рефлюксе тождественна концентрации пара на верхней тарелке, которая для бинарной равновесной системы ДЭГ – вода однозначно определяется температурой (t_вд, ⁰С) и давлением (Р_вд, кПа) верха десорбера.

Концентрацию ДЭГа в парах можно в данном случае (низкие давления, повышенные температуры) найти по закону Дальтона

 

, мол.доли (17)

 

Для перехода к массовым концентрациям ДЭГа применяется уравнение (15), в котором вместо х представляется (1-y). Решая систему уравнений (11-16) относительно у и g_реф (% мас. ДЭГа), находим концентрацию ДЭГа в рефлюксе при известных давлении и температуре верха десорбера.

Для оперативных расчётов в условиях промысла на рисунке 5 представлена номограмма, связывающая давление, температуру (конденсации пара) и состав смеси паров ДЭГ – вода. Номограмма построена расчётным методом с помощью изложенных уравнений. Она позволяет определить концентрацию ДЭГа в рефлюксе при заданных давлении и температуре верха, а также подобрать режим работы десорбера, при котором обеспечиваются заданные потери ДЭГа с рефлюксом

 

 

Рисунок 5 – Номограмма для определения равновесных потерь ДЭГа

с рефлюксом десорбера

 

Выбор режима работы УОГ.