Файл: Ширковский, А. И. Добыча и подземное хранение газа учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 139
Скачиваний: 0
В процессе дросселирования газа в штуцере |
(снижение давления |
|||||||
газа при постоянном теплосодержании) |
температура |
его |
сни |
|||||
жается на 0,2—0,4° С на |
1 кгс/см2 снижения давления. В расче |
|||||||
тах принимают среднее значение коэффициента |
Джоуля — Том |
|||||||
сона, равное 0,3° С на 1 кгс/см2. |
|
|
|
|
|
|
се |
|
Холод образовавшейся жидкости в низкотемпературном |
||||||||
параторе не используется |
в этой простейшей |
схеме |
НТС |
для |
||||
предварительного охлаждения |
газа |
перед штуцером, |
снижения |
|||||
перепада давления на редукционном аппарате |
для |
получения |
||||||
заданной температуры в сепараторе. |
|
|
|
|
|
|
||
Метод низкотемпературной |
сепарации — процесс однократной |
|||||||
конденсации и отделения |
газа |
от жидкости — является |
несовер |
|||||
шенным технологическим |
процессом |
извлечения |
конденсата из |
|||||
углеводородного сырья. Даже при низкой температуре |
(—40° С) |
|||||||
он не обеспечивает полного извлечения |
жидких |
углеводородов. |
||||||
Тем не менее он позволяет использовать пластовое давление для
получения |
холода, совмещает процессы осушки и отбензинива |
ния газа, |
при этом используется несложное оборудование. |
Установки НТС имеют следующие недостатки:
неэффективное использование давления в штуцере для полу чения низкой температуры;
уменьшение коэффициента теплопередачи от нагретого потока газа к холодному' из-за уменьшения скорости потока (числа Рейнольдса);
увеличение площади теплообменника вследствие уменьшения средней разности температур и коэффициента теплопередачи; неполное извлечение пропана и бутанов из обрабатываемого
сырья; недорекуперация холода из-за разности температур на теплом
конце теплообменника At = ti— |
среду при |
наличии |
разности |
||
потери |
холода в окружающую |
||||
температур |
М = Д— t на |
внешней |
поверхности |
теплообменника; |
|
значительная потеря |
холода с |
жидкостью, |
отводимой |
из низ |
|
котемпературного сепаратора.
Для более эффективного использования давления природного газа и получения низкой температуры в качестве редукционного
аппарата используют: сопло Лаваля; |
вихревую |
трубу |
(трубу |
Ранка); расширительные машины — детандеры, в |
качестве |
кото |
|
рых применяют турбодетандеры или |
винтовые детандеры. |
|
|
Удельное (на 1 кгс/см2 снижения давления) понижение темпе
ратуры на штуцере равно 0,3° С, |
в вихревой трубе — 0,4° С, в |
турбодетандере 2—3° С. |
Краснодарском политехниче |
Исследования, проведенные в |
ском институте, по использованию обращенного винтового ком
прессора 12ВК в качестве расширительной |
машины показали, |
|
что удельное снижение температуры газа равно 8—10° С |
в зави |
|
симости от скорости вращения винтов (7—11 |
тыс. об/мин) |
и сте |
пени расширения газа в детандере. |
|
|
101
В начальный период эксплуатации УНТС использовались только теплообменники типа «труба в трубе». Коэффициент теп
лопередачи от теплого |
газа |
к холодному |
в таком |
теплообмен |
||||||||
нике можно вычислить аналитически по формуле |
(в ккал/м2 -ч-°С) |
|||||||||||
|
kT |
- |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
(146) |
|
1 |
+ |
6 |
|
1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
ах |
» + |
а2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
||
где б — толщина стенки трубы |
в м; л — теплопроводность |
мате |
||||||||||
риала трубы в ккал/м-ч-°С; сц |
и а2— коэффициент теплоотдачи |
|||||||||||
в трубе |
соответственно |
от |
нагретого |
|
газа |
и |
от |
сухого |
газа |
|||
в ккал/м2 •ч ■°С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По формуле Крауссольда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
аг = |
0,023 — Re0•8 Рг° ■4 . |
|
|
|
(147) |
||||||
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь |
d — внутренний |
диаметр |
трубы |
в м; |
Re — критерий |
|||||||
Рейнольдса; Рг — критерий Прандтля |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Re = |
— |
, |
|
|
|
|
|
(148) |
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рг = |
^ - , |
|
|
|
|
|
|
(149) |
|
где и — массовая скорость |
газа |
в кг/м2 -ч; |
v — коэффициент ки |
|||||||||
нематической вязкости |
газа |
в кг/м-ч; Ср — изобарная |
тепло |
|||||||||
емкость газа в ккал/кг-°С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент теплоотдачи а2 определяется по формуле Краус |
||||||||||||
сольда аналогично аь в которую вместо |
d |
подставляется |
d3— |
|||||||||
эквивалентный диаметр в (м), вычисленный для кольцевого се чения
При эксплуатации теплообменника «труба в трубе» во внут ренней трубе образуется жидкость, имеются потери тепла в окру жающую среду, которые приведут к существенной разнице вычис ленного (теоретического) и фактического коэффициента тепло передачи. Поэтому, стремясь получить наиболее надежные дан
ные по определению площади теплообменника, |
коэффициент |
теплопередачи определяется экспериментально [5]. |
|
kT= 0,000238 Re + 158 |
(150) |
или приближенно |
|
d 1,85-----’ |
(151) |
1 ккал = 4186,8 Дж. 1 ккал/(м2-ч-°С) = 1,163 Вт/м2-°С. |
|
102
где Q — расход нагретого потока |
газа |
в м3/сут; d — внутренний |
||||
диаметр внутренней трубы теплообменника в м. |
теплопереда |
|||||
Из выражения (151) следует, |
что |
коэффициент |
||||
чи уменьшается при снижении дебита газа. |
по |
формуле |
||||
Площадь теплообменника |
Fт |
определяется |
||||
Ньютона |
|
QT |
|
|
|
|
^ т = |
|
|
|
|
(152) |
|
krAt |
' |
|
|
|||
(QT— количество тепла, которое |
надо |
отнять у нагретого пото |
||||
ка газа, чтобы снизить его температуру с t\ до t2, в ккал/ч). |
||||||
При составлении теплового |
баланса |
теплообменника |
прини |
|||
маем, что газоконденсатная смесь состоит из сухого газа, паров
конденсата и воды, жидкого конденсата |
и воды, образовавшихся |
в скважине и шлейфе, а также раствора |
диэтиленгликоля, за |
качиваемого в поток газа для связывания воды и предотвраще ния гидратообразования
Q ? = Q K + |
QB'h Qa + |
Q n — G r [ C |
p r ( / i — / г ) ! • |
0 ^ 3 ) |
|
Холод, затрачиваемый на охлаждение |
и |
конденсацию |
угле |
||
водородов |
|
|
|
|
|
Qk— GK[Срк (tx—/2) т~ GJ- |
|
(154) |
|||
Холод, затрачиваемый на охлаждение |
и |
конденсацию |
воды |
||
Q B |
= G„ [ С Р в |
( t i —^2 ) + гв1* |
|
(155) |
|
|
GB= QAW1- W t). |
|
|
(156) |
|
Холод, затрачиваемый на охлаждение и конденсацию диэти ленгликоля
Q a ~ ^ д С р д (/1 |
/2)> |
(157)
(158)
|
|
|
|
( 1 — Jta) — |
— ( 1 — *l) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
*2 |
|
|
|
|
|
|
|
Здесь Gr, |
GK, |
GB и G„ — массовый |
расход |
соответственно |
су |
|||||||
хого газа, конденсата, воды |
и диэтиленгликоля в |
кг/ч; Срт, |
Срк, |
|||||||||
Срв |
и Срд — изобарные удельные |
теплоемкости |
сухого газа, кон |
|||||||||
денсата, воды и диэтиленгликоля |
соответственно |
в ккал/кг-°С; |
||||||||||
гк, |
гв — скрытая |
теплота |
конденсации |
конденсата и |
воды |
|||||||
в ккал/кг; |
Wь |
W2— влагосодержание |
газа |
соответственно на |
||||||||
входе и выходе |
из |
теплообменника в |
кг/м3; Х\— начальная |
кон |
||||||||
центрация ДЭГ, |
подаваемого в поток |
газа |
до |
теплообменника; |
||||||||
х2— конечная концентрация |
ДЭГ, |
выходящего |
зи |
теплообменни |
||||||||
ка |
(обычно |
*1 = 0,97; *2=0,92); F — поверхность |
внешней |
трубы |
||||||||
теплообменника |
в |
м2; At — средняя разность |
температур; |
Кi —> |
||||||||
коэффициент |
теплопередачи |
от стенки |
трубы окружающей |
среде. |
||||||||
103
Потери тепла в окружающую среду ориентировочно прини мают Qn=0,5 ккал/м3 [3] или определяют по формуле
|
Qn= FAlKi. |
|
П5У) |
|
Холод, образующийся в результате |
дросселирования газа с |
|||
температуры t2 до tc, равен |
|
|
|
|
Qx = |
QrCpr е |
(р 2 — |
р с). |
( 1 6 9 ) |
Среднелогарифмическая |
разность |
температур |
определяется |
|
по формуле |
|
|
|
|
At = |
(6 ~ |
— (Jazihl _ |
(161) |
|
( h - h )
Теоретические расчеты по определению площади теплообмен ника «труба в трубе» и практика эксплуатации установок НТС показывают, что величина площади увеличивается при уменьше
нии перепада давления на штуцере |
Ар = р2—Рс- |
График |
измене- |
||||||
Рис. |
23. |
График |
зависимости |
пло |
|||||
щади |
теплообменника |
F |
типа |
«тру |
|||||
ба в трубе» от перепада |
давления |
||||||||
на |
штуцере |
Ар |
для |
поддержания |
|||||
постоянной температуры |
tc = —10°С в |
||||||||
низкотемпературном |
сепараторе при |
||||||||
р с = 60 кгс/см2; |
Арм — минимальный |
||||||||
перепад |
давления |
на |
штуцере |
при |
|||||
максимальной |
площади |
теплообмена; |
|||||||
ti, |
tn, tin, h x — продолжительность |
||||||||
работы |
одной |
секции |
теплообмен |
||||||
|
|
|
|
ников |
|
|
|
|
|
ция площади теплообменника F от перепада давления на штуце |
|||||||||
ре Ар приведен на рис. 23. |
|
|
кгс/см2 площадь |
F = 0, |
|||||
Из графика следует, что при Ар>150 |
|||||||||
т. е. теплообменники не нужны, так как при дросселировании га
за можно |
получить |
tc = —10° С без теплообменника. |
При |
умень |
||||||
шении Ар |
площадь |
теплообменника |
резко |
возрастает |
и при |
|||||
Ap-+0 F-+co. При уменьшении Ар |
|
до определенной |
величины |
|||||||
Дрм |
дальнейшее |
увеличение площади |
теплообменника |
техниче |
||||||
ски |
невыполнимо |
и экономически |
невыгодно. |
Площадь |
тепло |
|||||
обменника увеличивают секционно, по 20 м2 в секции. |
Макси |
|||||||||
мальная площадь теплообменника |
принята равной |
80 |
м2. |
При |
||||||
достижении ее |
для поддержания заданной температуры в низко |
|
температурном |
сепараторе необходимо уменьшать потери давле |
|
ния |
газа на пути его движения до штуцера УНТС или изменять* |
|
* |
1 ккал/кг • °С=4186,8 Дж/(кг • °С) =4,1868 кДж/(кг-°С). |
|
104
редуцирующий аппарат, или применять установку искусственно го холода.
Секции теплообменников присоединяют последовательно, так как это приводит к увеличению числа Re потока газа, коэффи циента теплопередачи, более значительному снижению темпера туры газа. Секции теплообменников изготовляют на заводах блоками. Зная зависимость изменения перепада давления на штуцере Ар во времени, можно рассчитать время начала уста новки первой и последующих секций теплообменника, продолжи тельность работы каждой из них, время ввода в работу аппара тов для более эффективного понижения температуры (детандеров) или время начала работы установки искусственного холода при достижении максимальной площади теплообменника.
Эксплуатационные качества теплообменников определяются значением коэффициента теплопередачи, величиной потерь дав ления охлаждаемого и охлаждающего потоков в теплообменнике, расходом металла на единицу площади теплообменника.
В промышленных установках используют теплообменники ти па «труба в трубе», кожухотрубные, кожухозмеевиковые и па нельные. Показатели металлоемкости теплообменников приведе ны в табл. 14.
|
|
Т а б л и ц а |
14 |
Показатели |
металлоемкости теплообменников |
|
|
|
|
Удельная ме |
|
|
|
таллоемкость |
|
Аппарат |
Подача газа |
в зависимости |
|
от рабочего |
|||
|
|
давления |
га |
|
|
за , кг/м* |
|
«Труба в трубе» Кожухотрубный Кожухозмеевиковый (с и-образ
ными трубами) Панельный
В трубное пространство |
60—100 |
|
В межтрубное |
пространство |
40—80 |
В межтрубное |
пространство |
36—60 |
Между вертикальными волнообраз |
25—27 |
|
ными каналами |
|
|
Из данных табл. 14 следует, что наиболее экономичным теп лообменником является панельный, коэффициент теплопередачи которого изменяется от 250 до 350 ккал/м2 • ч • °С.
Количество холода, полученного при дросселировании газа в штуцере в процессе эксплуатации газоконденсатного месторож дения без поддержания пластового давления, уменьшается. Для получения сухого газа и стабильного конденсата необходимо под держивать в низкотемпературном сепараторе заданные темпера туру и давление. Это достигается последовательным осуществле
нием технических мероприятий по |
уменьшению |
потерь |
давления |
в призабойной зоне пласта, стволе |
скважины, |
шлейфе |
и тепло- |
105