3S сепаратор — это низкотемпературный сепаратор, принцип действия которого основан на сверхзвуковых скоростях. 3s сепарация сопровождается такими сложными процессами как: [6]
-
Эффект Джоуля-Томпсона, охлаждение газа из-за адиабатического расширения.
-
Выпадение капельной жидкости в поле центробежных сил.
-
Создание двухфазной пограничной среды на поверхности сверхзвукового сопла.
В последние годы крупнейшие нефтегазовые компании проявляют особый интерес к разработке месторождений нефти и газа и газоконденсатных месторождений, находящихся в южных морях особенно в акватории персидского залива (рис.1)
Разработка месторождений Ближневосточного региона осложняется не столько сложными климатическими условиями, сколько сложными энергоемкими условиями, круглогодичным наличием высокой температуры и повышенной влажности, удаленностью производственных объектов от береговой линии. Все эти факторы усложняют работу на платформе, а также дополнительно возникает проблема обеспечения персонала и техники пресной воды.
Традиционно морские объекты подготовки и переработки добываемых углеводородов строились относительно близко к нефтегазовым месторождениям, однако, в условиях Ближнего востока месторождения находятся далеко от береговой линии. По этой причине применение стандартных схем подготовки и транспортировки углеводородов будет сопряжено со значительными капитальными затратами, обусловленными необходимостью возведения на удаленных объектах специальных платформ, способных противостоять сложным условиям. В связи с этим особое значение приобретает использование стационарных и автономных установок. Одним из важнейших элементов таких комплексов является оборудование, обеспечивающее подготовку пресной воды для нужд персонала, и, в частности, сепарационное оборудование для разделения газожидкостного потока, поступающего из морской-атмосферного воздуха. Разработкой и поставкой систем разделения, обеспечивающих разделение многофазного потока на фирменных условиях, занимается всего несколько компаний, все из которых используют традиционное и энергоемкое оборудование. [7,8]
Большая часть сепараторов относится к сепараторам комплексной модели, в которых используются как центробежные, так и гравитационные элементы для фаз. При этом применяется как горизонтальное, так и вертикальное исполнение таких сепараторов. В данной работе предлагается использовать сепаратор на основе сопла Лаваля в горизонтальном положении для извлечения влаги из морской атмосферы с использованием газовой турбины в качестве перекачивающей насосной установки. Таким образом, возможно получить дешевую и качественную воду с большой надежностью в отличие от транспортировки и хранения пресной воды.
В последние годы интенсивно развивается новое направление в сепарации природного газа – это технология сверхзвукового разделения, получившая название 3S-технология (SuperSonicSeparation) [1,3]
Технология основана на охлаждении природного газа в сверхзвуковом закрученном газовом потоке. Сепараторы, изготовленные по этой технологии, позволяют не только отделять жидкость от газа, но и выделять отдельные целевые углеводородные фракции. Эта технология позволит подготовить газ к транспортировке по трубам на берег.[1]
В технологии 3S сверхзвуковой поток газа реализуется с помощью конфузорно-диффузорного сопла Лаваля. В таком сопле газ разгоняется до скоростей маха в горле, и дальше скорости повышается больше маха в диффузоре. При этом за счет перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию происходит сильное охлаждение газа.
Расширение природного газа даже до небольших чисел Маха (М ~ 1.5–2.0) позволяет охладить газ до температур, достаточных для конденсации не только компонентов тяжелее пропана, а даже и этана. [1,2]
Принцип работы нового сепаратора для извлечения воды из атмосферного воздуха аналогичен рассмотренной технологической системе 3-S. Следует отметить, что основные преимущества сепараторов 3-S (по сравнению с традиционными технологиями выделения углеводородов из природного газа) заключаются в следующем:
1− малогабаритность и, как следствие, возможность размещения в достаточно ограниченном объеме, возможность достаточно лёгкого включения в комплекс другого оборудования, снижение стоимости монтажа и установки;
2− низкие капитальные затраты и эксплуатационные издержки;
3− экологическая безопасность;
4− отсутствие движущихся частей;
5− отсутствие потребности в постоянном обслуживании;
6− более высокая эффективность, по сравнению с широко распространённым оборудованием для сепарации. [1,2,3]
В начальный период эксплуатации водоотделителя от атмосферного воздуха на базе газовой турбины требуется только техническое обслуживание газовой турбины, т.е. план ремонта и исследование эффективности использования сопла Лаваля, что выпускает жидкости из потока на входе в компрессор газотурбинного двигателя. Конечно, в морских условиях на входе в ГТД в воде содержится большой процент солей, которые пагубно влияют на ресурс лопатки и работу изогенной камеры компрессорного поля и, соответственно, производительность газовой турбины.
ГТУ с применением Сопла-Лаваля (рис – 2):
1. Входное устройства воздуха
2. Масляные радиаторы
3. Сепаратор (Сопло-Лаваля)
4. Авиационный привод
5. ГТД или АГТД
6. Выхлопное устройства
7. Электрогенератор(-ы)
Использование сепараторов 3S позволяет улучшить работу описанных схем. Последние испытанные образцы сепараторов 3S могут использоваться как без дополнительных устройств (рис. 4), так и при необходимости в сочетании с рекуперативными теплообменниками и вторичными сепараторами.
В данной работе форсунки Лаваля берутся за удаление жидкости из влажного воздуха в море, где уровень влажности высокий и, соответственно, получается изолировать эту влажность системой 3-S. Для применения сепаратора 3-S перед компрессором ГТД необходимо создание дополнительных методик по их расчёту. Следует отметить, что воздушный поток, поступающий в компрессор ГТД, имеет повышенную влажность, а также, как было указано выше, соли, которые очень вредны для ГТД. На ГТД (особенно на нефтегазовых платформах в море) необходимо периодически контролировать возможный снос солей их проточной части. [5]
Чистый воздух подается в компрессор (1) газотурбинного энергоблока под высоким давлением, воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда также подается основное топливо – газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси выделяется энергия в виде потока горячих газов. Этот поток устремляется с большой скоростью к турбинному колесу (3) и вращает его. Кинетическая энергия вращения через вал турбины приводит в действие компрессор и электрогенератор (4). С помощью этого генератора электроэнергии выработанная электроэнергия может быть отправлена через трансформатор в электросеть потребителям энергии.[5]
Если же использовать 3S агрегат вместе с ГТУ, можно обеспечить воду, необходимую для нужд населения и технических устройств нефтегазового процесса. [8]
Применение 3-S агрегат перед ГТД
Преимущество сопла Лаваля в качестве сеператора:
Если вместо модификации ГТД (ТРД) использовать сопла Лаваля перед компрессором, то можно достичь одновременно 3-х преимуществ: [9,10]
1- получение воды из воздуха, что приводит к повышению КПД ГТУ (учитывая уравнение энергии в камере сгорания за счет отвода паров);
Вода из элементов, образующихся при сгорании топлива, повышает температуру горения. Повышение температуры в топливной камере повышает термодинамическую эффективность всего двигателя.
2-снижается деградация лопаток компрессора за счёт удаления паров воды и соли из воздушного потока.
3-устранена дополнительная стоимость модификации компрессора в ГТД для наземного или морского применения.
Надо отметить, что, во-первых, в ГТУ, авиа-ТРД работает только тогда, когда двигатель модифицируется на надземном применении.
Во-вторых, использование сопла Лаваля увеличивает КПД газовой турбины и, как следствие, приводит к экономии на ремонте и повышает надежность системы при ее эксплуатации.
Выводы
Сверхзвуковая сепарация с соплом Лаваля для сепарации одного компонента из массы потока — новый метод в данной области с высоким уровнем эффективности, ставший в последнее время объектом исследований в нефтегазовой отрасли.
В данной работе предлагается способ фильтрации добываемого природного газа непосредственно на платформе, где его необходимо подготовить к транспорту по трубопроводам. Преимуществом является дополнительная добыча воды из атмосферы, что не только позволит получить больший объем воды, но и повысит КПД и производительность газовой турбины для выработки электроэнергии для платформы, на которой будет использоваться установка. Данную установку можно использовать и в населенных пунктах, расположенных в засушливых районах с высоким процентом влажности, например, на Ближнем Востоке у Персидского залива, где не везде есть пресная вода или электричество и другие способы достаточно дороги.
