USD 57.413

-1.04

EUR 55.4064

-0.32

BRENT 85.11

-2.31

AИ-95

0

AИ-98

0

ДТ

0

6 мин
39
0

Новое применение сопло-Лаваля в качестве 3S-сепаратора в ГТУ на нефтегазовой платформе

Современные морские нефтедобывающие комплексы оснащены штатным инженерным оборудованием. Технологические процессы бурения постоянно совершенствуются. Применяются новые методы, в частности методы, использующие альтернативные источники энергии. Один из таких методов – система с газовой турбиной для нефтегазовой платформы с применением сопла Лаваля в качестве сепаратора, очищающего поток на входе ГТУ. С одной стороны, этот процесс дает возможность получить чистую воду и электроэнергию, а с другой – возможность сэкономить на  процессе эксплуатации с использованием  вторичного авиагазотурбинного устройства. Авторы статьи описывают применение сопла Лаваля в качестве 3s-сепаратора в ГТУ на нефтегазовой платформе.

 Новое применение сопло-Лаваля в качестве 3S-сепаратора в ГТУ  на нефтегазовой платформе

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. 



Статья « Новое применение сопло-Лаваля в качестве 3S-сепаратора в ГТУ на нефтегазовой платформе» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№8, Август 2022)

Авторы:
Комментарии

Читайте также