Способ низкотемпературной подготовки природного газа с генерацией электроэнергии Российский патент 2022 года по МПК F25J3/00 

Изобретение относится к технологическим процессам промысловой подготовки природного газа к транспорту по магистральному газопроводу и может быть использовано на действующих и перспективных объектах добычи газа.

Основной технологией промысловой подготовки газа и извлечения жидких углеводородов на установках комплексной подготовки газа (УКПГ) является низкотемпературная сепарация (НТС). Согласно традиционным технологиям, требуемое качество товарного газа по показателям температур точек росы по воде и углеводородам достигается ступенчатым охлаждением входного газа и отделением сконденсировавшейся жидкой фазы.

Для охлаждения газа на УКПГ применяют дроссельные, эжекторные устройства, турбодетандерные агрегаты (ТДА) и парокомпрессионные холодильные машины. Наиболее широко применяемой технологией для подготовки конденсатсодержащих газов с высоким пластовым и устьевым давлением является НТС с эжектором. Температурный уровень сепарации для таких технологий составляет минус 30…минус 33°С. Данная технология характеризуется минимальным набором технологического оборудования и удовлетворительной степенью извлечения углеводородов C_5+B из газовой фазы в жидкую.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является двухступенчатая технология низкотемпературной сепарации газа с получением углеводородного газа (см. Схему установки промысловой подготовки газа по технологии низкотемпературной сепарации согласно ближайшему аналогу заявленного технического решения), подготовленного для последующей транспортировки потребителю, в ходе которой сырьевой газ поступает на первичную сепарацию, откуда газ первичной сепарации последовательно охлаждается в аппарате воздушного охлаждения газа, теплообменниках «газ-конденсат» и «газ-газ» и эжекторе, в котором происходит редуцирование газо-жидкостного потока и смешение с пассивным потоком, окончательная низкотемпературная подготовка охлажденного газа осуществляется в низкотемпературном сепараторе, при этом подготовку товарной жидкой продукции осуществляют в концевой емкости дегазации конденсата, входным потоком которой служит предварительно отделенная от водно-метанольной фазы углеводородная жидкость с первичного и низкотемпературного сепараторов, а сам газ дегазации из концевой емкости является пассивным потоком эжектора. (Фальк А., Чепурнов А.Н., Хайнер Д., Михаэль Ф., Прокопов А.В. и др. Промысловая подготовка ачимовских газов по технологии низкотемпературной сепарации: проблемы и перспективы. // SPE-191537-18RPTC. 2018. С. 1-12. Статья включена в базу данных SCOPUS).

Недостатками ближайшего аналога являются:

- ограничение по минимально достижимой температуре НТС - не ниже минус 30…минус 33°С, так как при понижении температуры сепарации наблюдается резкое увеличение количества низконапорного газа, поступающего в качестве пассивного потока на вход в эжектор, что приводит к неработоспособности процесса эжектирования:

- недостаточно полное извлечение этана и пропан-бутановой фракции в составе товарного конденсата;

- потребность в высоком давлении входного газа.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является разработка такого способа низкотемпературной подготовки природного газа, в ходе которого было бы возможным проводить низкотемпературную сепарацию газа при температурах ниже 40°С и вырабатывать электроэнергию для внутреннего потребления и поставки во внешнюю сеть.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является повышение степени извлечения этана и пропан-бутанов в составе товарной жидкой продукции, а также снижение энергетических затрат при подготовке природного газа. В заявленном способе повышение степени извлечения этана и пропан-бутанов в составе товарной жидкой продукции достигается понижением температурного уровня сепарации путем применения детандера, а снижение энергетических затрат при подготовке природного газа обеспечивается применением электроэнергии, произведенной в детандер-генераторном агрегате (ДГА) в результате преобразования механической энергии в электрическую.

Заявленный технический результат достигается за счет создания такого способа низкотемпературной подготовки природного газа с генерацией электроэнергии, в ходе которого исходную газо-жидкостную смесь, состоящую из природного газа и жидких углеводородов, подвергают первичной сепарации с образованием газа первичной сепарации и жидкой фазы первичной сепарации, которую далее дегазируют с получением жидкости первичной дегазации и газа первичной дегазации, затем газ первичной сепарации охлаждают и подвергают вторичной сепарации с образованием газа вторичной сепарации и жидкой фазы вторичной сепарации, газ вторичной сепарации подвергают детандированию с понижением температуры до 35°С…-45°С и выработкой электроэнергии в совмещенном с детандером электрогенераторе, после чего в него добавляют газ первичной дегазации и жидкую фазу вторичной сепарации и образовавшуюся газо-жидкостную смесь подвергают низкотемпературной сепарации, в результате которой получают жидкость низкотемпературной сепарации и газ низкотемпературной сепарации, который нагревают и в качестве товарного газа направляют потребителю, а жидкость низкотемпературной сепарации смешивают с жидкостью первичной дегазации и направляют в узел подготовки конденсата с образованием газовой фазы и углеводородного конденсата, который в качестве товарного направляют потребителю.

Кроме того, указанный технический результат может достигаться за счет того, что в заявленном способе газовую фазу узла подготовки конденсата, так называемый газ концевой дегазации, получают дегазацией смеси жидкости низкотемпературной сепарации и жидкости первичной дегазации с последующим компримированием, охлаждением и подачей на низкотемпературную сепарацию совместно с охлажденным газом вторичной сепарации, газом дегазации первичной сепарации и жидкой фазой вторичной сепарации.

Также, указанный технический результат может достигаться за счет того, что в заявленном способе газовую фазу узла подготовки конденсата получают путем дегазации смеси жидкой фазы низкотемпературной сепарации и жидкой фазы первичной дегазации с получением газа дегазации и последующим охлаждением газа дегазации, сепарацией образовавшейся жидкой фазы с образованием газа сепарации, так называемой газовой фазы узла подготовки конденсата, после чего газ сепарации нагревают и направляют на компримирование, охлаждение и смешение с нагретым газом низкотемпературной сепарации.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами (Фиг. 1, Фиг. 2), на которых представлена принципиальная технологическая схема низкотемпературной подготовки природного газа с генерацией электроэнергии.

Способ низкотемпературной подготовки природного газа с генерацией электроэнергии осуществляется следующим образом.

Исходная газо-жидкостная смесь, состоящая из природного газа и жидких углеводородов по трубопроводу сырого газа, подают на первую ступень сепарации - в сепаратор С1. В сепараторе С1 поступивший газожидкостная смесь разделяют на газ первичной сепарации и жидкую фазу первичной сепарации. Газ первичной сепарации из сепаратора С1 направляют на последующее охлаждение в аппарат воздушного охлаждения АВО1. В аппарате воздушного охлаждения АВО1 газ первичной сепарации охлаждают атмосферным воздухом до температурных значений, находящихся в диапазоне от +25°С до +15°С, после чего его охлаждают в теплообменнике «газ-конденсат» Т2 до температурных значений в диапазоне от +15°С до +5°С и затем в теплообменнике «газ-газ» Т1 до температурных значений в диапазоне от -5°С до -15°С, после чего охлажденный газ первичной сепарации направляют на вторую, ступень сепарации, в сепаратор С2. Жидкую фазу первичной сепарации дегазируют в трехфазном разделителе Р1 и отделяют водно-метанольную фазу, которая выводится с установки и далее не учувствует в технологическом процессе, и жидкую фазу первичной дегазации (жидкие углеводороды), а также газ первичной дегазации, который направляют на третью, низкотемпературную, ступень сепарации в сепаратор С3. Отделившуюся в разделителе Р1 первой ступени сепарации жидкую фазу первичной дегазации направляют в узел подготовки конденсата.

На второй, ступени сепарации в сепараторе С2 происходит разделение газа первичной сепарации на газ вторичной сепарации и жидкую фазу вторичной сепарации. Из сепаратора С2 образовавшийся газ вторичной сепарации поступает в детандер-генераторный агрегат (ДГА), который представляет собой турбодетандер, совмещенный с электрогенератором. В процессе работы ДГА происходит преобразование энергии перепада давления газа с выработкой электроэнергии. Газ вторичной сепарации подвергают снижению давления в детандере ДГА при этом происходит снижение температуры газа на выходе из ДГА до значений от -35°С до -45°С и выработка электрической энергии.

Охлажденный газ вторичной сепарации совместно с выделившейся в сепараторе С2 жидкой фазой вторичной сепарации, газом первичной дегазации, а также газом концевой дегазации из узла подготовки конденсата направляют в сепаратор С3 низкотемпературной ступени сепарации.

В сепараторе С3 происходит разделение входного потока на жидкую фазу низкотемпературной сепарации и газ низкотемпературной сепарации, который из сепаратора С3 поступает на нагрев в рекуперативный теплообменник Т1, а далее в качестве товарного газа отводится потребителю. Жидкую фазу низкотемпературной сепарации в разделителе Р2 разделяют на водно-метанольную фазу, которая выводится с установки и далее не учувствует в технологическом процессе и углеводородную фазу (жидкая фаза низкотемпературного разделителя). Затем жидкая фаза низкотемпературного разделителя поступает в теплообменник Т2, где нагревается до температуры от +10°С до +20°С, и, пройдя теплообменник Т-2, смешивается с жидкой фазой первичной дегазации из P1. Далее смешанный поток подвергается дегазации в узле подготовки конденсата. Полученный углеводородный конденсат отводится потребителю в качестве товарного жидкого продукта. Водно-метанольная фаза разделителя Р2, выводится с установки подготовки газа и далее не учувствует в технологическом процессе.

Узел подготовки товарного конденсата может быть выполнен в двух вариантах. В первом варианте исполнения (см. Фиг. 1) он представлен в виде трехфазного разделителя-дегазатора (на чертеже не показан), в котором входной поток, состоящий из смеси жидкой фазы первичной дегазации и жидкой фазы низкотемпературного разделителя, разделяют и дегазируют с образованием трех фаз: газовую фазу узла подготовки конденсата (газ концевой дегазации), углеводородный конденсат и водно-метанольный раствор. Образовавшуюся газовую фазу узла подготовки конденсата направляют на компримирование в компрессорную установку, затем охлаждают в аппарате воздушного охлаждения АВО2 до температуры от +25°С до +15°С и направляют на вход сепаратора С3 низкотемпературной ступени сепарации, куда поступает также охлажденный газ вторичной сепарации, газ первичной дегазации и жидкая фаза вторичной сепарации.

Во втором варианте (см. Фиг. 2) исполнения узел подготовки товарного конденсата представлен в виде установки, включающей в себя трехфазный разделитель, теплообменники "газ-газ" и "газ-конденсат", сепаратор, циркуляционный насос и внешний источник холода (на чертеже не показаны). Аналогично первому варианту, жидкую фазу первичной дегазации, поступившую в узел подготовки конденсата с трехфазного разделителя Р1 и жидкую фазу низкотемпературного разделителя, поступившую в узел подготовки конденсата с трехфазного разделителя Р2 низкотемпературной ступени сепарации, разделяют в трехфазном разделителе узла подготовки товарного конденсата на газ дегазации, углеводородный конденсат и водно-метанольный раствор. Образовавшийся в трехфазном разделителе газ дегазации направляют на охлаждение в теплообменниках «газ-газ» и «газ-конденсат» узла подготовки товарного конденсата и во внешний источник холода узла подготовки товарного конденсата, затем направляют охлажденный газ дегазации в сепаратор узла подготовки конденсата, где разделяют его на газовую фазу узла подготовки конденсата (газ концевой дегазации) и жидкую фазу, при этом образовавшуюся газовую фазу узла подготовки конденсата нагревают и выводят с узла подготовки товарного конденсата, компримируют, после чего направляют на охлаждение в аппарат воздушного охлаждения АВО2, откуда охлажденный газ концевой дегазации направляют в трубопровод товарного газа, выходящего из рекуперативного теплообменника Т1, куда также отводят газ низкотемпературной сепарации. Углеводородный конденсат, образовавшиеся в трехфазном разделителе узла подготовки товарного конденсата, в виде товарного нестабильного конденсата выводят с установки.

На фиг. 3 представлена схема установки промысловой подготовки газа согласно ближайшему аналогу.

Расчетное сравнение параметров работы технологических схем ближайшего аналога и заявленного способа, выполненное на примере подготовки газа ачимовской залежи Уренгойского месторождения с исходным содержанием углеводородов С₅₊ в количестве 255 г/м³ на производительность по входному газу 360 тыс. м³/ч, приведено в таблице 1.

Из представленного сравнения видно, что заявляемый способ обеспечивает увеличение извлечения компонентов С₂, С₃, С₄ и С₅₊ в составе товарного конденсата, производство электроэнергии и понижение требуемого давления входного газа, что приводит к отсрочке ввода дожимной компрессорной станции (ДКС) и снижению энергопотребления на ДКС.

Достижение заявленного технического результата в случае реализации заявленного технического решения обеспечивается за счет замены эжекторного устройства на следующее оборудование: сепаратор промежуточной ступени сепарации, турбодетандер с электрогенератором, компрессорная установка с электроприводом на низконапорном газе концевой дегазации конденсата и аппараты воздушного охлаждения скомпримированного газа.

Реализация заявляемого способа позволяет повысить степень извлечения этана и пропан-бутанов в состав товарной жидкой продукции за счет проведения процесса НТС с применением ТДА вместо эжектора (промысловая подготовка газа происходит на более низком температурном уровне сепарации и тем самым увеличивается степень извлечения компонентов С₂₊ в составе товарного углеводородного конденсата). Низконапорный газ из концевой буферной емкости компримируют, охлаждают в аппаратах воздушного охлаждения газа и подают на вход низкотемпературной ступени сепарации. Процесс НТС осуществляется при более низкой температуре - минус 34°С и ниже. Кроме того, реализация заявленного способа обеспечивает снижение энергетических затрат, затрачиваемых на процесс подготовки газа за счет применения более эффективного способа охлаждения газа с использованием турбодетандера - это позволяет проводить процесс подготовки газа при более низком входном давлении, что снижает энергетические затраты при компримировании входного газа на ДКС. Кроме этого, турбодетандер совмещен с электрогенератором, что позволяет вырабатывать электроэнергию, снижая таким образом энергетические затраты на проведение процесса подготовки газа.

Изобретение относится к промысловой подготовке природного газа к транспорту по магистральному газопроводу. Исходную смесь, состоящую из природного газа и жидких углеводородов, подвергают первичной сепарации с образованием газа первичной сепарации и жидкой фазы первичной сепарации, которую дегазируют с получением жидкой фазы первичной дегазации и газа первичной дегазации. Газ первичной сепарации охлаждают и подвергают вторичной сепарации с образованием жидкой фазы вторичной сепарации и газа вторичной сепарации, который детандируют с понижением температуры до -35°С…-45°С и выработкой электроэнергии, после чего в него добавляют газ первичной дегазации и жидкую фазу вторичной сепарации. Образовавшуюся смесь подвергают низкотемпературной сепарации, в результате которой получают жидкую фазу низкотемпературной сепарации и газ, который нагревают и направляют потребителю. Жидкие фазы первичной и низкотемпературной сепарации смешивают и направляют в узел подготовки конденсата с образованием газовой фазы и углеводородного конденсата, который направляют потребителю. Технический результат - повышение степени извлечения этана и пропан-бутанов в составе товарной жидкой продукции и снижение энергетических затрат. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ низкотемпературной подготовки природного газа с генерацией электроэнергии, в ходе которого исходную газо-жидкостную смесь, состоящую из природного газа и жидких углеводородов, подвергают первичной сепарации с образованием газа первичной сепарации и жидкой фазы первичной сепарации, которую далее дегазируют с получением жидкости первичной дегазации и газа первичной дегазации, затем газ первичной сепарации охлаждают и подвергают вторичной сепарации с образованием газа вторичной сепарации и жидкой фазы вторичной сепарации, газ вторичной сепарации подвергают детандированию с понижением температуры до -35°С…-45°С и выработкой электроэнергии в совмещенном с детандером электрогенераторе, после чего в него добавляют газ первичной дегазации и жидкую фазу вторичной сепарации и образовавшуюся газо-жидкостную смесь подвергают низкотемпературной сепарации, в результате которой получают жидкость низкотемпературной сепарации и газ низкотемпературной сепарации, который нагревают и в качестве товарного газа направляют потребителю, а жидкость низкотемпературной сепарации смешивают с жидкостью первичной дегазации и направляют в узел подготовки конденсата с образованием газовой фазы и углеводородного конденсата, который в качестве товарного направляют потребителю.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовую фазу узла подготовки конденсата, так называемый газ концевой дегазации, получают дегазацией смеси жидкости низкотемпературной сепарации и жидкости первичной дегазации с последующим компримированием, охлаждением и подачей на низкотемпературную сепарацию совместно с охлажденным газом вторичной сепарации, газом дегазации первичной сепарации и жидкой фазой вторичной сепарации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовую фазу узла подготовки конденсата получают путем дегазации смеси жидкой фазы низкотемпературной сепарации и жидкой фазы первичной дегазации с получением газа дегазации и последующим охлаждением газа дегазации, сепарацией образовавшейся жидкой фазы с образованием газа сепарации, так называемой газовой фазы узла подготовки конденсата, после чего газ сепарации нагревают и направляют на компримирование, охлаждение и смешение с нагретым газом низкотемпературной сепарации.