Устройство для определения содержания диспергированной жидкости в потоке газа Российский патент 2025 года по МПК G01N9/36 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для осуществления контроля эффективности очистки газа в нефтегазовых сепараторах (далее - сепараторах). Кроме того, данное изобретение возможно использовать для контроля точности анализаторов температуры точки росы природных газов, а также для проведения исследований, связанных с фазовым поведением углеводородных систем.

В результате процесса очистки газа в сепараторах обычно не удается получить полностью очищенный газ, вследствие неидеальной эффективности процесса, и часть неочищенной жидкости в диспергированном виде (унос жидкости с газом) остается в выходном потоке газа. В дальнейшем, унос отрицательным образом сказывается на последующие технологические процессы, поскольку минеральные соли и другие примеси в его составе могут откладываться в элементах технологического оборудования.
Кроме того, содержащиеся в уносе химические реагенты и жидкие углеводороды безвозвратно теряются в составе продуктовых потоков технологических установок, что отрицательным образом сказывается на экономических показателях. По этой причине важно контролировать унос жидкости с газом из сепараторов с целью своевременного принятия мер по предотвращению технологических осложнений.

В настоящее время для определения уноса жидкости с газом из сепараторов используют методы и устройства, которые основаны на непрерывном отборе (на время исследования) пробы исследуемого газа из трубопровода через стационарное или перемещаемое по сечению пробоотборное устройство (зонд), улавливанию из этой пробы диспергированной жидкости с последующим определением ее удельного количества (содержания).

Данные методы и устройства обладают следующими недостатками:

1) сложность в организации точки отбора пробы исследуемого газа, особенно если она не предусмотрена проектом, поскольку для этого требуется вертикальный или горизонтальный участок трубопровода в непосредственной близости к сепаратору с прямыми участками определенной длины до и после пробоотборного штуцера, монтаж данного штуцера на трубопроводе, организация площадки обслуживания и т. д.;

2) сложность обеспечения представительности пробы исследуемого газа из-за неравномерности содержания диспергированной жидкости по сечению трубопровода;

3) сложность соблюдения изокинетичности (скорость потока в трубопроводе не равномерна по сечению, особенно, в пристеночном слое), изотермичности и изобаричности (отбираемая проба исследуемого газа в процессе движения теряет некоторое давление из-за гидравлических сопротивлений в пробоотборных коммуникациях, а также подвергается тепловому воздействию от окружающей среды через стенки оборудования), что приводит к некоторому изменению содержания диспергированной жидкости в пробе вследствие фазовых переходов, и, соответственно, оказывает влияние на корректность результата;

4) при использовании перемещаемого пробоотборного зонда существенно возрастает риск появления аварийной ситуации по причинам потери герметичности или разрушения его конструкции.

Известно устройство измерения уноса жидкости с газом, включающее устройство перемещения с зондом для отбора пробы, а также устройства для отделения капельной жидкости или механических примесей из потока газа, сбора и измерения объема отделившейся жидкости (механических примесей) и измерения объема очищенного газа [Г.А. Ланчаков, А.Н. Кульков, Г.К. Зиберт. «Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования». Москва, НЕДРА, 2000, С. 207-220].

Также известно устройство измерения уноса дисперсной фазы в газовом потоке, которое содержит фильтр-патрон, регулятор постоянного расхода газа, пробоотборный зонд, дополнительный фильтр-патрон и второй дополнительный фильтр-патрон для коррекции результатов измерений. Регулятор постоянного расхода газа выполнен в виде блока с набором откалиброванных критических сопел [RU 2396553 C1, МПК G01N 25/26 (2006.01), опубликовано 10.08.2010].

Кроме того, известно устройство замера уноса примесей с газовым потоком, которое включает зонд изокинетического отбора пробы газа, устройство сепарационное сбора и отделения капельной жидкости и механических примесей, устройство замера расхода отбираемого газа и регулирующее устройство, установленное на линии газового потока за точкой отбора исследуемого газа, после которого в газовый поток подают очищенный исследуемый газ [RU 2606099 С2, МПК B01D 53/26 (2006.01), G01N 1/22 (2006.01), опубликовано 10.01.2017].

Известные устройства имеют следующие недостатки.

Известные устройства требуют строгого соблюдения изокинетичности, изобаричности и изотермичности при пробоотборе с использованием зонда, а также при отделении капельной жидкости с применением фильтр-патронов. Точное соблюдение данных условий является весьма проблематичным, поскольку для этого требуется непрерывное проведение измерений большого количества параметров (давление, температура, расход потока отбираемого газа на различных участках), а также необходимость точного автоматического их регулирования, что обычно не предусмотрено конструкциями известных устройств.

К еще одному недостатку известных устройств относится то, что пробоотбор осуществляется из двухфазного потока (газ-жидкость), распределение жидкости по которому неравномерно по площади поперечного сечения и по длине трубопровода, из которого отбирают пробу. В результате, отбор представительной пробы газа, которая бы характеризовала среднюю величину содержания диспергированной жидкости в ней, является сложной задачей.

Кроме того, использование в некоторых из известных способов и устройств фильтр-патронов существенно сказывается на ухудшении точности измерений. Фильтр-патроны вследствие гидравлического сопротивления несколько изменяют давление и температуру отбираемой пробы газа, что может приводить к существенному изменению содержания диспергированной жидкости в ней вследствие фазовых переходов. К еще одному значимому источнику возникновения погрешности измерений, вызванному применением фильтр-патронов, является то, что для измерения их массы обычно требуется осуществлять разгерметизацию оборудования и их извлечение. В результате, создаются условия испарения накопленной жидкости с поверхности фильтр-патронов или конденсации паров воды из воздуха рабочей зоны на их поверхность.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение является определение количества диспергированной жидкости в потоке очищенного в сепараторах газа (унос жидкости с газом), основанное на методе определения потенциального содержания углеводородной жидкости ISO 6570:2001 [https://cdn.standards.iteh.ai/samples/32874/83cd53e30cc0425d8b11086a322ddb42/ISO-6570-2001.pdf], которое обеспечит достоверность результатов по количественному определению диспергированной жидкости в потоке очищенного в сепараторах газа за счет отсутствия существенного влияния на результаты корректности условий изокинетичности, изобаричности и изотермичности при пробоотборе и измерениях, а также за счет пробоотбора газа из однофазного газового потока и отсутствия влияния на результат контакта фильтр-патронов с воздухом рабочей зоны. Кроме того, данное изобретение возможно использовать для контроля точности анализаторов температуры точки росы природных газов в соответствии с положениями ISO 6570:2001, а также для проведения исследований, связанных с фазовым поведением углеводородных систем.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение является повышение достоверности получения результатов по количественному определению диспергированной жидкости в потоке очищенного в сепараторах газа, обеспечивая при этом снижение риска возникновения аварийных ситуаций за счет отсутствия перемещаемого пробоотборного зонда. Дополнительными техническими результатами является контроль точности анализаторов температуры точки росы природных газов, а также возможность проведения исследований, связанных с фазовым поведением углеводородных систем.

Указанные технические результаты достигаются тем, что устройство для определения содержания диспергированной жидкости в потоке газа содержит пробоотборную линию исследуемого газа с возможностью подключения в точке, в которой термобарические условия обеспечивают ее однофазное газообразное состояние, которая выполнена с возможностью выхода на свечу, линию подачи газа-теплоносителя, узел регулирования, последовательно соединенные: узел теплообменников, узел сепарации, узел подачи ингибитора гидратообразования, при этом узел регулирования включает клапаны-регуляторы, установленные на входе и выходе линии исследуемого газа и клапан-регулятор, установленный на входе линии подачи газа-теплоносителя; узел теплообменников содержит два последовательно установленных теплообменника на потоке исследуемого газа, которые выполнены с возможностью подачи газа-теплоносителя в их межтрубные пространства двумя параллельными потоками и вывода газа-теплоносителя на свечу; узел сепарации включает фильтр-сепаратор и мерную емкость для сбора жидкости, конструктивно объединенные в единую конструкцию, байпасную линию, запорную арматуру и контрольно-измерительные средства, в качестве которых применены измерители давления и температуры; узел подачи ингибитора гидратообразования содержит емкость для ингибитора, индикатор капель, клапан-регулятор и запорную арматуру; на выходе линии исследуемого газа установлены контрольно-измерительные средства, в качестве которых применены счетчик газа, измерители давления и температуры; указанное выше оборудование представляет собой исследовательский блок, который смонтирован и закреплен на средстве передвижения.

Устройство позволяет воспроизвести термобарические условия, аналогичные термобарическим условиям тестируемого сепаратора. Это достигается путем отбора пробы из очищенного потока газа тестируемого сепаратора после увеличения его давления и температуры вследствие компримирования, например, в компрессорах газоперекачивающих или турбодетандерных агрегатов (далее - ГПА и ТДА соответственно) с последующим дросселированием и изменением температуры отбираемой пробы. При этом, предполагается, что вследствие увеличения давления и температуры в компрессорах, диспергированная в потоке газа жидкость полностью испаряется и поток газа становится однофазным. В дальнейшем, при приведении термобарических условий данного газового потока в устройстве к термобарическим условиям тестируемого сепаратора, из него конденсируется жидкость в удельном количестве, которое соответствует измеряемой величине уносимой жидкости с газом из тестируемого сепаратора. Поскольку отбор пробы исследуемого газа осуществляется из однофазного потока, то исключаются погрешности, связанные с неравномерностью поступления жидкости в точку пробоотбора. При этом измерение объема или массы уловленной в устройстве жидкости осуществляется без ее контакта с внешней атмосферой (воздухом рабочей зоны), что исключает погрешности, обусловленные процессами испарения или конденсации жидкости. Контроль точности анализаторов температуры точки росы природных газов осуществляется путем определения содержания сконденсированной из исследуемого потока газа жидкости в устройстве при разных температурах с последующей теоретической экстраполяцией до нулевого содержания. Далее полученная при экстраполяции температура, которая соответствует теоретически определенной температуре точки росы сравнивается с измеренным значением анализатора. Кроме того, возможность создания и поддержания в устройстве различных температур и давлений исследуемых сред, определение их содержания и ряда физико-химических свойств позволяет проводить различные исследования, связанные с фазовым поведением углеводородных систем.

Повышение качества исследований заключается в следующем.

Заявляемое техническое решение позволяет воспроизвести термобарические условия в измерительном сепараторе, аналогичные условиям в исследуемом сепараторе. Отбор проб осуществляется из однофазного потока, что исключает погрешности, связанные с неравномерностью поступления жидкости в точку пробоотбора.

Замер объема или массы жидкости производят в измерительном сепараторе, что исключает внесение погрешности в измерение за счет процессов испарения или конденсации при взаимодействии жидкости с воздухом рабочей зоны.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующими фигурами и описанием.

На фиг. 1 представлена схема устройства для определения содержания диспергированной жидкости в потоке газа.

На фиг. 2 представлен пример подключения заявляемого устройства после компрессора ТДА при проведении исследований на Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении (НГКМ).

На фигурах приведены следующие обозначения и сокращения:

1 - Узел регулирования;

2 - Узел теплообменников;

3 - Узел сепарации;

4 - Узел подачи ингибитора гидратообразования;

5, 6 - Теплообменник;

7 - Фильтр-сепаратор;

8 - Байпасная линия;

9 - Мерная емкость;

10 - Емкость ингибитора;

11 - Индикатор капель;

12-15 - Клапан регулятор;

16-21 - Кран шаровой;

22 - Измеритель давления;

23 - Счетчик газа;

24 - Измеритель температуры;

25 - Трубопровод отвода исследуемого газа на свечу;

26 - Трубопровод подачи газа-теплоносителя;

27 - Пробоотборная линия;

28 - Трубопровод отвода газа-теплоносителя на свечу;

29 - Блок арматурный 20АР-1 (линия выхода газа из теплообменника 20Т-1).

30 - Блок арматурный 20АР-3 (арматура для поддержания температуры осушенного газа);

31 - Блок арматурный 20АР-4 (регулирующий клапан на линии выхода осушенного газа из трубного пространства теплообменника 20Т-2 в пункт хозрасчетного замера газа (ПХЗГ);

32 - Аппарат воздушного охлаждения 20ВХ-1;

33 - Блок дегазатора 20Д-1;

34 - Промежуточный сепаратор 20С-1;

35 - Низкотемпературный сепаратор 20С-2;

36 - Теплообменник «газ-газ» 20Т-1;

37 - Теплообменник «газ-газ» 20Т-2;

38 - Турбодетандерный агрегат 20Д-1;

39 - Газ в магистральный трубопровод;

40 - Газ исследуемый на свечу;

41 - Газ на ДКС-1;

42 - Газ с ДКС-1;

43 - Газ с ДКС-2, 3;

44 - Газ-теплоноситель;

45 - Газ-теплоноситель на свечу;

46 - Детандер;

47 - Исследуемый газ;

48 - Компрессор;

49 - Подача метанола перед теплообменником 20Т-1;

50 - Подача метанола перед турбодетандером;

51 - Поток нестабильного газового конденсата и водно-метанольного раствора на установку стабилизации конденсата и регенерации метанола (УСКиРМ);

52 - Поток нестабильного газового конденсата и водно-метанольного раствора с других технологических линий;

53 - Экспериментальный стенд (Заявляемое устройство (фиг. 1);

54 - Пункт хозрасчетного замера газа;

55 - Газ с других технологических линий;

56 - Газ дегазации;

Устройство (фиг. 1) имеет мобильную конструкцию и состоит из следующих основных частей:

1) узел регулирования 1, предназначен для снижения и поддержания давления в линии исследуемого газа, дросселирования газа-теплоносителя до требуемого давления, регулирования расхода исследуемого газа через устройство и включающий в себя три клапана-регулятора 12 - 14:

- клапан-регулятор 12, предназначен для снижения и поддержания давления в линии исследуемого газа;

- клапан-регулятор 13, предназначен для дросселирования газа-теплоносителя до требуемого давления;

- клапан-регулятор 14, предназначен для регулирования расхода исследуемого газа через устройство;

2) узел теплообменников 2, предназначен для регулирования температуры пробы исследуемого газа и включающий в себя два теплообменника 5 и 6 типа «труба в трубе»; данные теплообменники подключаются таким образом, чтобы исследуемый газ двигался последовательно из трубной части теплообменника 5 в трубную часть теплообменника 6, а газ-теплоноситель поступал параллельно в их межтрубные пространства и двигался противотоком относительно исследуемого газа;

3) узел сепарации 3, предназначен для отделения и накопления жидкой фазы, выделившейся из пробы исследуемого газа после снижения давления и температуры и включает в себя фильтр-сепаратор 7, мерную емкость 9, а также шаровые краны 16 - 20; фильтр-сепаратор 7 имеет разборную конструкцию для возможности проведения осмотра и чистки; шаровые краны 16 и 17 предназначены для отсечения фильтр-сепаратора 7, а шаровой кран 18 - для направления потока пробы исследуемого газа по байпасной линии 8;

4) узел подачи ингибитора гидратообразования 4, предназначен для предотвращения гидратообразования в клапане-регуляторе 14, и включает в себя емкость для ингибитора 10, индикатор капель 11, клапан-регулятор 15 и шаровой кран 21; в качестве ингибитора гидратообразования используется этанол;

5) контрольно-измерительные средства, к которым относится счетчик газа 23, а также измерители давления 22 и температуры 24.

В качестве контрольно-измерительных средств могут быть применены, например, счетчик газа ротационный, манометр показывающий, термометр показывающий.

Устройство размещено на средстве передвижения, которое выполнено с возможностью транспортировки механическими транспортными средствами, что обеспечивает высокую мобильность установки для перемещения по различным месторождениям, в том числе на удаленные объекты, без применения грузоподъемного оборудования. Пробоотборная линия 27 выполнена с возможностью подключения к штуцеру отбора газа на трубопроводе (например, на выходе компрессора ТДА или ГПА) с помощью быстроразъемных соединений.

Определение содержания диспергированной жидкости очищенного в сепараторах газа осуществляют следующим образом.

Проба газа, отобранная из потока, очищенного в тестируемом сепараторе газа, в точке, в которой термобарические условия обеспечивают ее однофазное газообразное состояние (например, после компрессора ТДА или ГПА) по пробоотборной линии 27 поступает на вход устройства, проходит через клапан-регулятор 12 давления «после себя», который позволяет выставить и поддерживать давление в установке, равное давлению в тестируемом сепараторе. Далее исследуемый газ проходит последовательно через трубные пространства теплообменников 5 и 6, где доводится до температуры в тестируемом сепараторе. Подаваемый в межтрубные пространства теплообменников газ-теплоноситель может отбираться из любого подходящего источника, например, из очищенного газа низкотемпературного сепаратора. Для получения дополнительного холода, при необходимости, используют клапан-регулятор 13 в качестве дросселирующего устройства. Газ-теплоноситель после клапана-регулятора 13 разделяется на два потока и подается параллельно в межтрубные пространства теплообменников 5 и 6 противотоком относительно потока исследуемого газа. После теплообменников исследуемый газ поступает в фильтр-сепаратор 7, в котором происходит отделение жидкости, выделившейся из потока исследуемого газа в результате снижения давления и температуры. Предусмотрена также возможность отсечения фильтр-сепаратора 7 с помощью шаровых кранов 16 и 17, и перевода потока исследуемого газа по байпасной линии 8 путем открытия шарового крана 18 для возможности отсечения сепаратора с сохранением режима (например, для замены элементов фильтр-сепаратора 7 или мерной емкости 9). Жидкость из сепаратора сливается в мерную емкость 9. После фильтр-сепаратора 7 исследуемый газ последовательно проходит через клапан-регулятор расхода 14, счетчик газа 23 и сбрасывается на свечу. Для предотвращения загидрачивания клапана-регулятора расхода 14 предусмотрена система ввода ингибитора гидратообразования, включающая в себя емкость ингибитора 10, индикатор капель 11, клапан-регулятор 15.

Объем уловленной жидкости за время проведения исследования определяется по ее накоплению в мерной емкости 9. При этом, объемный унос жидкости с газом U (мл/ст.м³) из тестируемого сепаратора определяют по формуле:

U=(V₂-V₁)/Q, (1)

где V₁ - начальный объем жидкости в емкости мерной 9, мл;

V₂ - конечный объем жидкости в емкости мерной 9, мл;

Q - объем исследуемой пробы газа, прошедший через фильтр-сепаратор 8, ст.м³.

Возможно также определение массового уноса жидкости с газом из тестируемого сепаратора. В этом случае определяют массу уловленной жидкости как разницу между массой емкости мерной 9 без жидкости (до начала исследования) и массой емкости мерной 9 с жидкостью. Далее массовый унос жидкости с газом U (г/ст.м³) определяют по формуле:

U=(M₂-M₁)/Q, (2)

где M₁ - начальная масса емкости мерной 9, г;

M₂ - конечная масса емкости мерной 9, г;

Q - объем исследуемой пробы газа, прошедший через фильтр-сепаратор 8, ст.м³.

Поддержание необходимого давления с помощью клапана-регулятора 12 возможно только при условии, если давление пробы исследуемого газа превышает давление в тестируемом сепараторе, например, если очищенный в тестируемом сепараторе газ компримируется с помощью компрессоров ТДА или ГПА. В противном случае возможно осуществлять определение количества жидкости при постоянной температуре, но при разном давлении и в дальнейшем получить необходимый результат путем экстраполяции на давление в тестируемом сепараторе.

Пример конкретной реализации предлагаемого изобретения.

На установке комплексной подготовки газа газового промысла № 2 Бованенковского НГКМ специалистами заявителя проведены экспериментальные исследования возможности определения уноса жидкости с газом из сепаратора 20С-2 (поз. 35 фиг. 2). Для выполнения указанных работ был подготовлен экспериментальный стенд 53, конструкция которого соответствовала заявляемому устройству (фиг. 1). Исследования проводились на технологической нитке низкотемпературной сепарации № 204. Схема подключения устройства при проведении исследований приведена на фиг. 2. Проба исследуемого газа 47 отбиралась с выхода компрессора 48 через штуцер отбора и далее по рукаву высокого давления подавалась на экспериментальный стенд 53. На стенде 53 газ редуцировался до давления 5,19 МПа (фактическое избыточное давление в сепараторе 35), проходил систему теплообменников, где доохлаждался до температуры минус 28°С (фактическая температура в сепараторе 35) и далее поступал в фильтр-сепаратор, где из пробы исследуемого газа отделялась жидкая фаза. Жидкость сливалась в емкость мерную для измерения ее объема.

В ходе экспериментальных исследований удалось достичь необходимые давление и температуру пробы исследуемого газа, которые соответствовали аналогичным параметрам сепаратора 35, а также поддерживать их в течении необходимого времени. Полученное значение уноса жидкости с газом из тестируемого сепаратора 35 составило 0,147 мл/м³, что соответствовало предварительно проведенным теоретическим оценкам.

Таким образом, заявляемая конструкция устройства позволяет обеспечить повышение достоверности результатов по количественному определению диспергированной жидкости в потоке очищенного в сепараторах газа за счет отсутствия влияния на результаты корректности условий изокинетичности, изобаричности и изотермичности при пробоотборе и измерениях, а также за счет пробоотбора газа из однофазного газового потока и отсутствия влияния на результат контакта фильтр-патронов с воздухом рабочей зоны.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано для осуществления контроля эффективности очистки газа в нефтегазовых сепараторах. Устройство для определения содержания диспергированной жидкости в потоке газа содержит пробоотборную линию исследуемого газа с возможностью подключения в точке, в которой термобарические условия обеспечивают ее однофазное газообразное состояние, которая выполнена с возможностью выхода на свечу, линию подачи газа-теплоносителя, узел регулирования, последовательно соединенные: узел теплообменников, узел сепарации, узел подачи ингибитора гидратообразования. Узел регулирования включает клапаны-регуляторы, установленные на входе и выходе линии исследуемого газа, и клапан-регулятор, установленный на входе линии подачи газа-теплоносителя. Узел теплообменников содержит два последовательно установленных теплообменника на потоке исследуемого газа, которые выполнены с возможностью подачи газа-теплоносителя в их межтрубные пространства двумя параллельными потоками и вывода газа-теплоносителя на свечу. Узел сепарации включает фильтр-сепаратор и мерную емкость для сбора жидкости, конструктивно объединенные в единую конструкцию, байпасную линию, запорную арматуру и контрольно-измерительные средства, в качестве которых применены измерители давления и температуры. Узел подачи ингибитора гидратообразования содержит емкость для ингибитора, индикатор капель, клапан-регулятор и запорную арматуру. На выходе линии исследуемого газа установлены контрольно-измерительные средства, в качестве которых применены счетчик газа, измерители давления и температуры; указанное выше оборудование представляет собой исследовательский блок, который смонтирован и закреплен на средстве передвижения. Технический результат - повышение достоверности получения результатов по количественному определению диспергированной жидкости в потоке очищенного в сепараторах газа. 2 ил.

Устройство для определения содержания диспергированной жидкости в потоке газа, характеризующееся тем, что содержит пробоотборную линию исследуемого газа с возможностью подключения в точке, в которой термобарические условия обеспечивают ее однофазное газообразное состояние, которая выполнена с возможностью выхода на свечу, линию подачи газа-теплоносителя, узел регулирования, последовательно соединенные: узел теплообменников, узел сепарации, узел подачи ингибитора гидратообразования, при этом узел регулирования включает клапаны-регуляторы, установленные на входе и выходе линии исследуемого газа, и клапан-регулятор, установленный на входе линии подачи газа-теплоносителя; узел теплообменников содержит два последовательно установленных теплообменника на потоке исследуемого газа, которые выполнены с возможностью подачи газа-теплоносителя в их межтрубные пространства двумя параллельными потоками и вывода газа-теплоносителя на свечу; узел сепарации включает фильтр-сепаратор и мерную емкость для сбора жидкости, конструктивно объединенные в единую конструкцию, байпасную линию, запорную арматуру и контрольно-измерительные средства, в качестве которых применены измерители давления и температуры; узел подачи ингибитора гидратообразования содержит емкость для ингибитора, индикатор капель, клапан-регулятор и запорную арматуру; на выходе линии исследуемого газа установлены контрольно-измерительные средства, в качестве которых применены счетчик газа, измерители давления и температуры; указанное выше оборудование представляет собой исследовательский блок, который смонтирован и закреплен на средстве передвижения.