Подготовка природного газа к транспортировке в трубопроводе

Природный газ широко используют как недорогое топливо с высокой теплотворной способностью (при сжигании 1 куб.м. выделяется до 54 400 кДж). Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Самым распространенным способом доставки газа потребителям является транспортировка по трубопроводам.

Однако, перед подачей в магистральные трубопроводы газ необходимо подготовить, дабы он соответствовал ряду требований. Наиболее сложно достижимыми из них являются температура точки росы по воде и углеводородам. Для соответствия этим требованиям существуют следующие основные решения:

1. Низкотемпературная сепарация (НТС)

Данная технология предусматривает:

• первичную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном газосепараторе;
• охлаждение входного потока газа в теплообменнике газ/газ потоком охлажденного газа;
• охлаждение газа за счет дросселирования потока, здесь могут использоваться дроссель (эффект Джоуля-Томсона), трубка Ранка, турбодетандер;
• последующая сепарация охлажденного газа в низкотемпературном сепараторе газа;
• подогрев подготовленного газа в теплообменнике перед подачей в магистраль.

2. Низкотемпературная конденсация (НТК)

Технология предусматривает:

• первичную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном газосепараторе;
• охлаждение входного потока газа в теплообменнике за счет внешнего источника охлаждения, которыми могут быть аппараты воздушного охлаждения (АВО), различные холодильные машины;
• последующая сепарация охлажденного газа в низкотемпературном газосепараторе.

3. Абсорбционная подготовка газа

Технология предусматривает:

• первичную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном газосепараторе;
• абсорбционную колонну, в которой жидким абсорбентом поглощается влага, находящаяся в газе;
• выходной газосепаратор, в котором осуществляется осаждение (улавливание) абсорбента.

4. Адсорбционная подготовка газа

Технология предусматривает:

• первичную сепарацию газа и улавливание жидкостных пробок во входном газосепараторе;
• адсорбционную колонну, в которой твердым адсорбентом поглощается влага, находящаяся в газе;
• выходной фильтр-сепаратор, в котором осуществляется осаждение (улавливание) адсорбционной пыли.

Метод низкотемпературной сепарации (НТС)

Специфика добычи природного газа заключается в высоких давлениях внутри пласта на первых этапах разработки месторождения. Газ выходит из скважины со значительным давлением, порядка 100-150 атм. и выше, которое можно преобразовать в дешевый холод при дросселировании потока. Поэтому логично, что самый легкий и распространенный вариант обработки газа при таких условиях — это низкотемпературная сепарация газа (НТС), где используется минимум капитальных вложений при удовлетворяющих показателях на выходе. Также, большим плюсом этого метода является простота эксплуатации и обслуживания оборудования. Как правило, основная технология включает в себя несколько сосудов под давлением (сепараторы), несколько теплообменников и дроссель (или турбодетандер).

Описание типичной схемы установки НТС

Сырой газ со скважин поступает во входной сепаратор, где отделяется жидкая фаза (пластовая вода с растворенными ингибиторами и сконденсировавшийся углеводородный конденсат). Отсепарированный газ направляется в рекуперативные теплообменники 1 для рекуперации холода с дросселированного потока газа. Для предупреждения гидратообразования в поток газа перед теплообменником впрыскивают ингибитор гидратообразования (гликоль или метанол). Охлажденный газ из теплообменников поступает на дроссель или детандер, где за счет дросселирования (или детандирования) падает температура потока. После охлаждения в газ поступает в низкотемпературный сепаратор, где из потока газа отделяются сконденсировавшиеся жидкие углеводороды и водный раствор ингибитора гидратообразования. Сухой газ из низкотемпературного сепаратора проходит через рекуперативный теплообменник 1, где нагревается и далее поступает в рекуперативный теплообменник 2, где нагревает отходящую жидкую фазу из НТС и только потом подается в магистральный газопровод. Жидкая фаза из низкотемпературного сепаратора нагревается в рекуперативном теплообменнике 2 и далее поступает в трехфазный сепаратор, откуда газ выветривания отправляется либо на факел, либо используется на собственные нужды. Водный раствор ингибитора, выводимый снизу трехфазного сепаратора, направляется на регенерацию, а конденсат — на дальнейшую стабилизацию на установку стабилизации конденсата (УСК).

Минусы установки НТС

При всех плюсах этого метода, стоит отметить один фатальный минус. Примерно через 3-5 лет после начала разработки месторождения, давление добываемого газа начинает постепенно падать, из-за чего НТС теряет свое основное преимущество — дешевый холод. Соответственно, такой способ обработки газа перед его транспортировкой не позволяет стабильно достигать требований по подаче газа в магистральный газопровод, что делает его не только малоэффективным, но и зачастую вовсе бесполезным. Также, из минусов НТС стоит отметить, низкое извлечение конденсата — извлекается только конденсат, находящейся в жидкой фазе. Значительная же часть тяжелых углеводородов остается в газе, из-за чего не достигается требуемая температура точки росы по углеводородам. Это приводит не только к проблемам при эксплуатации трубопроводов, но и к недополученной прибыли для эксплуатирующей организации.

Также, стабилизация конденсата методом выветривания предполагает большие потери, связанные с уносом «ценных» компонентов. Подготовка конденсата в колонне-стабилизаторе позволяет в разы сократить расход газа, сжигаемого на факеле, и увеличить количество конденсата. Выделим основные минусы НТС:

• СОГ не соответствует требованиям СТО Газпром 089-2010
• недоизвлечение конденсата (особенно в летний период)
• потери газа на факеле

Методы, применяемые Газсерф для исключения данных проблем

Компания Газсерф предлагает более эффективные решения подготовки газа, направленные на стабильное получение основного продукта (СОГ) необходимого качества, а также максимально возможное извлечение всех субпродуктов из поступающего газа, что позволяет получать не только дополнительные прибыли для эксплуатирующей организации, но и уменьшать сбросы в атмосферу, тем самым избежав/уменьшив штрафы от надзорных органов.

В данной статье мы хотели бы обратить внимание на технологию, которая по своей сути близка к низкотемпературной сепарации, но более продвинута в исполнении, что позволяет избежать всех недостатков, присущих НТС и при этом увеличить эффективность установки в целом: и по получаемым продуктам и по экономическим показателям. Имеется ввиду низкотемпературная конденсация (далее НТК) газа при помощи установки внешнего холода с дальнейшей стабилизацией конденсата, а также возможностью получения таких продуктов как ШФЛУ, СПБТ и конденсат газовый стабильный.

Метод низкотемпературной конденсации (НТК)

Низкотемпературная конденсация (далее НТК) — процесс изобарного охлаждения природного и попутного нефтяного газа, сопровождающийся последовательной конденсацией отдельных компонентов газового конденсата или их фракций при определенном давлении. Осуществляется при температурах от 0 до минус 40°C.

Разделение углеводородных газов методом НТК осуществляется путем охлаждения внешним холодом до заданной температуры при постоянном давлении, сопровождающегося конденсацией извлекаемых из газов компонентов, с последующим разделением в сепараторах газовой и жидкой фаз.
Высокой четкости разделения углеводородных газов путем однократной конденсации и последующей сепарации добиться практически невозможно, поэтому современные схемы НТК включают ректификационные колонны деметанизации/деэтанизации/дебутанизации.
Газовая фаза при этом выводится с установки с последней ступени сепарации, а жидкая фаза после теплообмена с потоком сырьевого газа поступает на питание в колонну деметанизации или деэтанизации для дальнейшей подготовки конденсата.

Использование данного метода за счет искусственного внешнего холода позволяет поддерживать стабильную точку росы вне зависимости от времени года и перепада давлений (в отличие от НТС), и добиваться более глубокого извлечения тяжелых углеводородов. Точка росы по углеводородам при расчете НТС не ниже минус 10 С, а на установках НТК доходит до минус 40 С, что значительно повышает количество жидкого продукта в виде ШФЛУ, СПБТ и конденсата газового стабильного. Кроме того, стабилизация конденсата в колоннах значительно сокращает сбросы газа на факел и увеличивает количество жидких продуктов.

Плюсы установки низкотемпературной конденсации (НТК)

• стабильная точка росы (даже при падении давления газа в скважине) за счет регулирования мощности внешнего холодильного цикла;
• возможность поддержания более низких температур при охлаждении газа, получение за счет этого дополнительных жидких продуктов;
• стабилизация конденсата в колоннах значительно сокращает потери на факел.

Таблица 1. Сравнение дегазации в емкостях и стабилизации конденсата в зависимости от температуры охлаждения в НТС или НТК

Пример реализации НТК в качестве реконструкции НТС при падении давления на входе

Задача: На месторождении заказчика давление газа на скважине упало со 100 до 25 атм. и НТС перестала удовлетворять требованиям «СТО Газпром 089-2010 «Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия». Необходимо предложить технологию, которая бы готовила газ, соответствующий требованиям к магистральным трубопроводам, а также обеспечивала максимальное извлечение жидких продуктов для уменьшения срока окупаемости проекта.

Таблица 2. Исходные данные

Таблица 3. Получаемые продукты

Установка комплексной подготовки газа производительностью по входящему газу 2,19 млрд. нм3/год была разработана Газсерф как универсальный проект, основанный на обширном опыте инженеров нашей компании. В данном проекте мы постарались реализовать все достоинства уже «запущенных» нами УКПГ. Кроме этого, типичность и универсальность данной установки позволяет легко «подстраиваться» под потребности заказчика, как по расходу и составу входного газа, так и по получаемым продуктам.

Технологическое оборудование установки состоит из следующих основных блоков:

Блок холодильного контура

Обеспечивает внешнее охлаждение потока газа до температуры минус 25⁰С. Холодопроизводительность 900 кВт (температурный уровень −25 ⁰С) обеспечивается путем установки трех винтовых холодильных компрессоров. Конденсация хладагента происходит в аппаратах воздушного охлаждения. Также в блок входят емкостные аппараты: аккумулятор хладагента, экономайзер. Холодильный контур предназначен для конденсации и подачи жидкого хладагента в испаритель (пластинчатый, либо кожухотрубный теплообменник) и отбора тепла от газового потока путем фазового перехода хладагента.

Блок низкотемпературной конденсации

Блок низкотемпературной конденсации предназначен для охлаждения потока газа в рекуперативных теплообменниках и испарителе хладагента, а затем разделения на газовые и жидкие фракции охлажденного потока. Газ после сепарации и подогрева в рекуперациионном теплообменнике направляется в магистральный трубопровод, нестабильный конденсат в колонну стабилизатор, а водометанольная смесь в установку регенерации метанола.

Блок фракционирования (стабилизации)

Блок фрационирования представляет собой колонну стабилизации конденсата. Стабилизация конденсата осуществляется за счет подогрева конденсата в ребойлере и тепломассообменных процессов на тарелках колонны.

Блок нагрева и циркуляции теплоносителя

Предназначен для подачи тепла к ребойлеру колонны стабилизатора и нагрева регенератора метанола.

Блок регенерации метанола

Предназначен для регенерации метанола и подачи регенерированного метанола на впрыск в теплообменники НТК.

Установка имеет возможность дальнейшей модернизации с возможностью получения СПБТ и конденсата газового стабильного.

Экономический эффект от строительства установки на примере проекта Газсерф

Реализацию проекта разбили на три этапа:

Этап 1. Строительство установки установка внешнего холода и стабилизация конденсата на существующих емкостях выветривания.
Этап 2. Строительство колонны стабилизации конденсата.
Этап 3. Строительство установка выделения СПБТ.

Таблица 4. Каждый следующий этап дает добавочный продукт, что влечет за собой дополнительную прибыль!

Как видно из таблицы, каждый этап значительно увеличивает количество извлеченных продуктов, а, следовательно, и получаемую прибыль предприятия. Однако отказавшись от этапности и реализовав весь проект одновременно целиком, мы получаем практически ту же окупаемость, но гораздо большую валовую прибыль. Поэтому, несмотря на большие капитальные вложения инвесторы получат большую прибыль в более сжатые сроки.

Выводы

• НТК по сравнению с НТС позволяет получать боле стабильную точку росы вне зависимости от перепада давления газа и времени года;
• НТК позволяет охлаждать газ до более низкой температуры по сравнению с НТС и получать больше жидких продуктов;
• Применение фракционирующих колонн по сравнению с емкостями выветривания позволяет сократить сбросы на факел и получить более широкую линейку жидких продуктов ШФЛУ, СПБТ, пропан, конденсат газовый стабильный (газовый бензин);
• Реализация подобных проектов, несмотря на кажущуюся дороговизну, имеет близкий срок окупаемости как каждого этапа в отдельности, так и вся целиком сразу, поэтому, несмотря на большие капитальные вложения, при реализации полного комплекса подготовки газа инвесторы получат большую прибыль в более сжатые сроки при той же окупаемости, что и каждый этап в отдельности.

Компания Газсерф обладает большим опытом в реализации подобных проектов и решении задач, связанных с очисткой, осушкой и подготовкой природного и попутного нефтяного газа к транспортировке. Наши специалисты готовы помочь вам при решении задач любой сложности.