Розробка і дослідження відцентрових елементів для сепараційного обладнання в системах підготовки газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 66.074.1.022.63

Спеціальність 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ ВІДЦЕНТРОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ ДЛЯ СЕПАРАЦІЙНОГО ОБЛАДНАННЯ В СИСТЕМАХ ПІДГОТОВКИ ГАЗУ

Тюрін

Валерій Володимирович

Харків

2009

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана у відділі процесів і апаратів Українського науково-дослідного інституту природних газів (УкрНДІгаз) філії Дочірньої компанії "Укргазвидобування" Національної акціонерної компанії "Нафтогаз України", м. Харків.

Науковий

керівник:

кандидат технічних наук,

ДЯЧУК ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ,

Український науково-дослідний інститут природних газів філія Дочірньої компанії "Укргазвидобування" Національної акціонерної компанії "Нафтогаз України", директор.

Офіційні

опоненти:

доктор технічних наук, професор,

БАТЛУК ВІКТОРІЯ АРСЕНІЇВНА, Національний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України, кафедра "Охорона праці", професор;

кандидат технічних наук, доцент,

ШУШЛЯКОВ ДМИТРО ОЛЕКСАНДРОВИЧ, Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра "Теплохолодопостачання", доцент.

Захист відбудеться " 20 " травня 2009 року о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий " 09 " квітня 2009 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н. О.В. Гвоздецький



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сепаратори є обов'язковим елементом кожної з технологічних схем установок комплексної підготовки газу. Від ефективної роботи сепараторів залежить якість підготовки газу до транспорту, його відповідність нормам технічних умов, кількість вилучення рідкої вуглеводневої продукції, а також строк експлуатації послідуючого за сепараторами технологічного обладнання. Виробничими вимогами до сепараторів є висока продуктивність, ефективна робота апарата в широкому діапазоні навантажень за газовою та рідкою фазами, мінімальні енергетичні затрати, низька маса та вартість одиниці обладнання. Саме цим вимогам найбільше відповідають сепаратори з відцентровими сепараційними елементами. Встановлено, що для самих компактних та ефективних сепараторів з контактно-сепараційними елементами (КСЕ) Українського науково-дослідного інституту природних газів (УкрНДІгаз) бажаним є розширення їх робочого діапазону навантажень за газовою та рідкою фазами. Розробка більш ефективних прямотечійних відцентрових сепараційних елементів (ПВСЕ), а також їх розрахунок у складі сепараційного обладнання можливі за наявністю виправданої математичної моделі сепарації крапель в ПВСЕ. До недоліків відомих на даний час методів розрахунку мінімального радіуса крапель, що відділяються з газу в ПВСЕ, варто віднести те, що вони не враховують згасання інтенсивності закрутки потоку по мірі віддалення від завихрювача та зміну осьової швидкості та густини газу у радіальному напрямку під впливом відцентрових масових сил. Крім того, відомі на даний час критеріальні рівняння коефіцієнта місцевого опору закрученому потоку в циліндричному каналі дозволяють їх використання з відстані L/d = 14 від завихрювача, де L, d - поздовжній розмір і діаметр циліндричного каналу, у той час як переважна більшість конструкцій ПВСЕ мають циліндричний патрубок з L/d ? 8.

Враховуючи вищезазначене, задачі по розробці і впровадженню у виробництво ПВСЕ нової конструкції, які дозволять ефективно працювати з більшим діапазоном навантаження за газовою та рідкою фазами, а також удосконаленню їх інженерних розрахунків є актуальними для газової промисловості України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі процесів і апаратів Українського науково-дослідного інституту природних газів (м. Харків) у рамках наукової тематики Національної акціонерної компанії "Нафтогаз України" за темами:

- 43.219/2003-2004 "Провести стендові дослідження різних конструкцій контактних пристроїв для подальшого їх впровадження в сепараційному обладнанні УКПГ Перещепинського НГП";

- 43.280/2004-2004 "Модернізація конструкції низькотемпературного сепаратора Перещепинського НГП";

- 43.242/2005-2005 "Розробка технічних рішень по модернізації низькотемпературних газосепараторів на УКПГ "Безлюдівка" і УКПГ-1 Юліївського НГП";

- 43.635/2006-2006 "Авторський нагляд за впровадженням газосепараторів, модернізованих контактно-сепараційними елементами УкрНДІгазу".

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нових ПВСЕ з робочим діапазоном навантажень за газовою та рідкою фазами більшим ніж робочий діапазон КСЕ УкрНДІгазу, удосконалення методу розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ та отримання критеріального рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ з тангенціальним та аксіально-лопатковим завихрювачами.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі завдання:

- аналіз відомих конструкцій ПВСЕ, які використовуються в сепараційному обладнанні установок підготовки газу та виявлення найбільш компактних та ефективних конструкцій;

- аналіз особливостей закручених потоків та їх аеродинамічних характеристик;

- аналіз існуючих методів розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ;

- розробка нових конструкцій ПВСЕ з робочим діапазоном навантажень за газовою та рідкою фазами більшим ніж робочий діапазон КСЕ УкрНДІгазу;

- розробка нового методу розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ з урахуванням зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, а також з урахуванням зміни рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ;

- проведення лабораторних досліджень ступеня очистки газу від рідини та аеродинамічних характеристик нових конструкцій ПВСЕ;

- розробка критеріального рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ з аксіально-лопатковим і тангенціальним завихрювачами та відносною висотою циліндричного патрубка L/d 8;

- проведення промислових досліджень для перевірки результатів лабораторних досліджень та теоретичних викладок.

Об'єкт дослідження - процес очищення газу у полі відцентрових сил.

Предмет дослідження - прямотечійні відцентрові сепараційні елементи та методи їх розрахунку.

Методи дослідження - математичне і фізичне (в умовах експериментальної установки) моделювання процесу сепарації крапель в ПВСЕ. Аеродинамічний опір ПВСЕ визначався експериментально, як в умовах лабораторної експериментальної установки, так і в умовах газоконденсатних родовищ. Обробка результатів експериментальних досліджень по аеродинамічному опору здійснювалась методом найменших квадратів. Результати розрахунків ступеня очистки газу від рідини за новим методом звірялись з відповідними результатами експериментальних та промислових досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- створено нові ПВСЕ з робочим діапазоном навантажень за газовою та рідкою фазами в межах фактора швидкості газу в патрубку ПВСЕ від 15 до 39 Па^0,5 та питомого зрошення до 307 м³/(м² • год.), у той час як у попередніх КСЕ УкрНДІгазу робочий діапазон знаходився у межах фактора швидкості газу від 15 до 20 Па^0,5 та питомого зрошення до 110 м³/(м² • год.);

- розроблено новий метод розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ з урахуванням зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, а також з урахуванням зміни рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ;

- вперше отримано критеріальне рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ довжиною до 8 його внутрішніх діаметрів циліндричного патрубку, з тангенціальним та аксіально-лопатковим завихрювачами.

Практичне значення одержаних результатів:

- на базі нових ПВСЕ розроблено і впроваджено на виробництві газопромислових управлінь "Харківгазвидобування" і "Полтавагазвидобування" сім сепараторів діаметром 300, 500, 600, 800 і 1200 мм;

- впровадження сепараційного обладнання з новими ПВСЕ дало змогу понизити точку роси товарного газу як по волозі, так і по вуглеводням, підвищити якість підготовки газу та отримати додатковий вуглеводневий конденсат, кількість якого лише на Березівській УКПГ склала 0,44 м³/добу під час добового видобутку газу в 160 тис. м³.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором розроблено математичну модель сепарації крапель рідини в прямотечійних відцентрових сепараційних елементах, яка враховує зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, в якому рухається вісесиметричний закручений потік; виконано ескізне креслення та авторський нагляд за виготовленням ПВСЕ нових конструкцій; розроблено методику і проведено експериментальні дослідження з визначення аеродинамічних характеристик та ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ як нової, так і попередньої конструкції; отримано критеріальне рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ; проведено промислові дослідження з визначення аеродинамічних характеристик та ступеня очистки газу від рідини у ПВСЕ нової конструкції.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались на секції розробки газоконденсатних та газових родовищ Вченої Ради УкрНДІгазу (м. Харків, 2008 р.); на науково-технічному семінарі кафедри теплогазопостачання, вентиляції та використання вторинних енергоресурсів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (м. Харків, 2008 р.); на міжнародній науково-практичній конференції "Техника и технологии добычи и подготовки нефти и газа в осложнённых условиях эксплуатации" (м. Москва, 2008 р.); на міжнародній науково-технічній конференції молодих учених "Техніка і прогресивні технології у нафтогазовій інженерії" (м. Івано-Франківськ, 2008 р.).

Публікації. Результати дисертації у співавторстві опубліковані у 8 наукових працях, 3 з яких опубліковані у фахових збірниках наукових праць ВАК України, решта є матеріалами двох міжнародних конференцій і трьох деклараційних патентів України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та 11 додатків. Повний обсяг дисертації 237 сторінок; з них 36 ілюстрацій по тексту, 9 ілюстрацій на 9 сторінках; 17 таблиць по тексту, 1 таблиця на 1 сторінці; 11 додатків на 87 сторінках; список використаних джерел із 75 найменувань на 7 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичну значимість одержаних результатів.

Перший розділ присвячений огляду та аналізу конструкцій сепараційного обладнання представленого на газоконденсатних родовищах України, аналізу відомих ПВСЕ та виявленню з них найбільш компактних та ефективних конструкцій, аналізу наукових праць присвячених методиці розрахунку ступеня очистки газу в ПВСЕ. Виконано огляд робіт присвячених визначенню структури та характеристичних критеріїв подоби закручених плинів. Проаналізовано роботи з визначення аеродинамічного опору аксіально-лопаткових (АЛ) і тангенціальних (ТЦ) завихрювачів, а також опору закрученому потоку в трубі з використанням критерію подоби закручених плинів.

За результатами аналізу сучасного рівня сепараційного обладнання зроблено висновок, що сепаратори з відцентровими сепараційними елементами мають найбільшу питому продуктивність по газу, є самими компактними і ефективними в роботі. Серед сепараційного обладнання, що представлене на газоконденсатних родовищах України, найменш металомісткі, компактні та ефективні в роботі є сепаратори з контактно-сепараційними елементами УкрНДІгазу. Самі контактно-сепараційні елементи УкрНДІгазу відносяться до класу прямотечійних відцентрових сепараційних елементів.

Питаннями розробки та вдосконалення ПВСЕ займались провідні вчені, спеціалісти та інженери Ланчаков Г.О., Кульков А.Н., Зіберт Г.К., Бекіров Т.М., Гусейнов Ч.С., Марков В.А., Пермінов Е.В., Шишло Б.М., Кісельов В.М. та інші. Питанням методів розрахунку ступеня очистки газу у полі відцентрових сил присвячені роботи Синайського Е.Г., Скобло А.І., Трегубова А.А., Касаткіна А.Г., Овчіннікова А.А., Ніколаєва Н.А., Шиляєва М.І. та інших. Однак за результатами огляду та аналізу сучасних методів розрахунку ПВСЕ зроблено висновок, що відомі до цього часу методи розрахунку ступеня очистки газу не враховують характерної зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, в якому рухається закручений вісесиметричний потік. Не враховується також зона зворотних плинів і можлива зміна рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ. Встановлено, що дослідження та перевірка відомого з літературних джерел (праці Щукіна В.К. і Халатова А.А.) критеріального рівняння коефіцієнта місцевого опору закрученому потоку у циліндричному каналі проводились для труб, в яких відношення довжини до їх внутрішнього діаметру

(L/d) становило 14 150.

Для більшості ПВСЕ, що використовуються в сепараційному обладнанні, практичний інтерес мають циліндричні патрубки з

L/d 8.

Враховуючи вищезазначене, задачі по розробці і впровадженню у виробництво ПВСЕ нової конструкції, які дозволять ефективно працювати з більшим діапазоном навантаження за газовою та рідкою фазами, а також удосконаленню їх інженерних розрахунків, є актуальними для газової промисловості України.

Другий розділ присвячений розробці методу розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ з урахуванням зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, а також з урахуванням зміни рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ.

Рішення поставленої задачі прямо пов'язане з описом поля швидкості вісесиметрично закрученого потоку.

Пропонується для одержання функцій

(w = f(Ф,r,х) і u = f (Ф,r, x)),

які описують поле осередненої швидкості вісесиметричного закрученого турбулентного потоку, об'єднати рівняння (1 - 4), які запропоновані Щукіним В.К. і Халатовим А.А.:

w = w_* • [2 • (r / r _*) / (1 + (r / r _*)²)]^j, м/с, (1)

де: w_* - максимальне значення обертальної швидкості, м/с; j - показник степені, який залежить від початкового інтегрального параметра закрутки Ф_*; r - радіус-координата каналу, в якому рухається закручений потік, м; r _* - радіус, на якому обертальна швидкість максимальна, м; Ф - інтегральний параметр закрутки потоку;

u = w • (r / R)ⁿ / tg _п, м/с, (2)

де:

R - радіус каналу, в якому рухається закручений потік,

м; n - показник степені закону зміни кута нахилу (атаки) лопаток завихрювача в залежності від радіусу каналу;

_п - кут закрутки лопаток завихрювача на їх периферії, град.;

для х • ^{- 0,25} < 0,66 • Ф_* + 0,48

Ф = Ф_* • ехр[- (0,44 + 0,03 • Ф_*) • х • ^{- 0,25}]; (3)

для х • ^{- 0,25} 0,66 • Ф_* + 0,48

Ф = Ф_* •ехр[[0,36 + 0,05•Ф_* - (0,44 + 0,03 • Ф_*)]•(0,66 • Ф_* + 0,48) -

- (0,36 • Ф_* + 0,05•Ф_*) • х • ^{- 0,25}], (4)

де:

х = L / (2 • R) -

відносна вертикальна координата циліндричного каналу;

- число Рейнольдса, розраховане за діаметром каналу і середньовитратній швидкості потоку; Ф* - початковий інтегральний параметр закрутки.

Рівняння (1) описує осереднений в часі профіль обертальної швидкості на виході із завихрювача, рівняння (2) описує осереднений в часі профіль осьової швидкості на виході із завихрювача, рівняння (3 - 4) - згасання інтенсивності закрутки по мірі віддалення від завихрювача.

Для розрахунку мінімального радіуса крапель (r _min2), які відділяються з газового потоку в ПВСЕ з урахуванням змін структури закрученого потоку на всьому радіусі каналу і по мірі віддалення закрученого потоку від завихрювача, зміни густини та статичного тиску газу в радіальному напрямку, запропоновано рівняння

L_X (r_к) = L, (5)

де: L_X (r_к) -

функція, що визначає висоту в осьовому напрямку, на яку підніметься крапля радіусом

r_к під час подолання шляху від початкового радіуса сепарації R₀ до R, м;

L - висота циліндричного патрубка ПВСЕ над завихрювачем, м.

Функція L_X (r_к) визначається рівнянням

L_X(r_к)=, м, (6)

де: u(Ф,r, x) - осьова складова швидкості потоку як функція від інтегрального параметра закрутки, радіуса обертання і відносної вертикальної координати, м/с;

w(Ф,r,х) - обертальна складова швидкості потоку як функція від інтегрального параметра закрутки, радіуса обертання і відносної вертикальної координати, м/с;

_Г (P,r,x) - густина газу як функція статичного тиску, радіуса та відносної вертикальної координати, кг/м³; _Р - густина рідини, кг/м³;

- коефіцієнт місцевого опору середовища як функція від радіуса краплі, коефіцієнта динамічної в'язкості газу, густини газу і рідини, питомого вмісту рідини в газі, та обертальної складової швидкості потоку.

Відносну вертикальну координату краплі пропонується розраховувати за формулою

х = , (7)

де d- внутрішній діаметр каналу, в якому рухається закручений потік, м.

Коли відоме поле статичного тиску у другому наближенні, радіус та відносна вертикальна координата, то формування параметрів функції, що визначає густину газу відбувається так

_г(Р, r, x) = _г(Р + Р_{ст_2}( r, x), r, x), кг/м³, (8)

де Р_{ст_2}( r, x) - функція, що визначає зміну поля статичного тиску в другому наближені, Па.

Функція

Р_{ст_2}( r, x) визначається через функцію густини газу в першому _г(Р, r, x)_{_1} наближені і має вигляд

Р_{ст_2}( r, x)= _г(Р, r, x)_{_1} · , Па, (9)

де r_нт - радіус, на якому статичний тиск приймає нульове значення, м.

Формування параметрів функції, що визначає густину газу в першому наближені _г(Р, r, x)_{_1} відбувається через густини газу _г(Р), яка окрім інших чинників є функцією від тиску і не враховує зміну поля статичного тиску

_г(Р, r, x)_{_1} = _г(Р + _г(Р) · , r, x), кг/м³. (10)

Тоді ступінь очистки газу в ПВСЕ пропонується розраховувати за формулою

, % , (11)

де r_min1 - мінімальний радіус крапель, що відділяються в осаджувальній секції сепаратора, м; r_min - мінімально можливий радіус крапель в потоці, м; N(r_k) - логнормальна функція рівноважного розподілу крапель за розміром.

Урахування у формулі (11) зміни рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ відбувається на рівні визначення функції N(r_k) через середній (модальний) радіус крапель R_ср, який окрім інших чинників залежить від еквівалентного діаметра каналу, в якому рухається газорідинний потік. Тому для розрахунку N(r_k) рекомендується використовувати найменше значення з R_ср(d_шт) та R_ср(d_екв), де d_шт - внутрішній діаметр штуцера входу газу в сепаратор; d_екв - еквівалентний діаметр вільного перетину завихрювачів. Переваги запропонованого методу розрахунку наглядно представлено на рис. 1, де одержані за різними методами результати розрахунку ступеня очистки газу зіставлені з результатами експерименту.

У третьому розділі розроблено програму та методику експериментальних досліджень аеродинамічних характеристик, а також ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ, яка передбачає використання лабораторної установки відділу процесів і апаратів УкрНДІгазу, схематичне зображення якої наведено на рис. 2.

Обґрунтовано вибір об'єктів досліджень, надано їх опис та конструктивні характеристики. Методика проведення експериментальних досліджень передбачала визначення аеродинамічного опору завихрювача, опору закрученому потоку в циліндричному патрубку, опору діафрагми, опору виходу закрученого потоку з ПВСЕ, а також і всього ПВСЕ під час роботи, як в "сухому" режимі, так і за наявністю в потоці рідкої фази. Виконано оцінку похибок вимірювань під час проведення експериментальних досліджень.

Для проведення досліджень обрано два типа завихрювачів: аксіально-лопатковий з початковим інтегральним параметром закрутки Ф_* = 0,88 1,95 і тангенціальний з Ф_* = 0,45 3,03.

Відповідно до створеного патенту [4] ТЦ завихрювач мав внутрішній аксіальний обтічник у вигляді двох конусоподібних тіл, що з'єднані у загальній вершині (рис. 3). Запропоноване технічне рішення було спрямоване на підвищення ступеня очистки газу за рахунок запобігання накопиченню і винесенню рідини уздовж поздовжньої вісі сепараційного елемента.

Відповідно до створеного патенту [5], для розширення робочого діапазону навантажень на ПВСЕ за газовою та рідкою фазами в дослідних циліндричних патрубках ПВСЕ по ходу обертання потоку було виконано шість тангенціальних щілин для попередньої сепарації (рис. 4).

Для проведення досліджень було виготовлено чотири сепараційні діафрагми (рис. 5). Одна з діафрагм мала нерозбірну конструкцію, інші три за допомогою фіксуючих гвинтів могли встановлюватись одна на одну. Проміжні коаксіальні патрубки відповідно патенту [6] було виконано у вигляді дифузорів. Збільшення кількості сепараційних діафрагм з двох, як це було у попередніх конструкціях ПВСЕ, до трьох, а також виконання їх у вигляді дифузорів було також спрямоване на розширення робочого діапазону навантажень на ПВСЕ за газовою та рідкою фазами.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень аеродинамічних характеристик та ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ нової конструкції, як в лабораторних, так і в промислових умовах.

Дослідження аеродинамічних характеристик нових ПВСЕ в лабораторних умовах проводились на системі „повітря - вода" в діапазоні змінення фактора швидкості газу в патрубку ПВСЕ F = 10 ч 45 Па^0,5, питомої щільності зрошення на елемент L_f = 65 ч 106 м³ / (м² • год.), що відповідає відношенню масового розходу рідини до газу

L_m /G = 0,4 ч 2,2

(кг/кг), ступінь діафрагмування вихідного патрубка ПВСЕ становила 0,85.

Обрано коефіцієнт місцевого опору визначати як добуток коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ в "сухому" режимі на коефіцієнт, що враховує наявність в потоці рідкої фази

_ПВСЕ = _{ПВСЕ_СУХ} · , (12)

де: _{ПВСЕ_СУХ} - коефіцієнт місцевого опору "сухого" ПВСЕ; - коефіцієнт, що враховує наявність в потоці рідкої фази.

За відсутністю в потоці рідкої фази коефіцієнт дорівнює 1.

За результатами лабораторних експериментів з'ясовано, що коефіцієнт місцевого опору "сухого" ПВСЕ доцільно представити як суму коефіцієнтів місцевого опору завихрювача _ЗАВИХР(Ф_*), патрубка _ПАТР(Ф_*, L/d), діафрагми _ДІАФР(Ф_вих) та коефіцієнта місцевого опору виходу закрученого потоку з труби (або діафрагми) _ВИХ(Ф_вих), як функцій від початкового інтегрального параметра закрутки завихрювача Ф_*, інтегрального параметра закрутки на виході із патрубка ПВСЕ Ф_вих і відносної висоти патрубка L/d:

_{ПВСЕ_СУХ}(Ф_*, Ф_вих , L/d) = _ЗАВИХР(Ф_*) + _ПАТР(Ф_*, L/d)+

+ _ДІАФР(Ф_вих) + _ВИХ(Ф_вих). (13)

Після підстановки рівняння (13) в (12), останнє перетворюється в критеріальне рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ.

Обробка результатів експериментальних досліджень методом найменших квадратів та вибір оптимальних функцій дозволило одержати наступні рівняння для доданків рівняння (13):

для АЛ завихрювача, коли 0,45 ? Ф_* ? 1,5

_ЗАВИХР = 1,61•ехр(1,251•Ф_* ); (14)

для ТЦ завихрювача, коли 0,45 ? Ф_* ? 2,6

_ЗАВИХР = 2,1•ехр(0,82•Ф_* ); (15)

для ТЦ завихрювача, коли 2,6 < Ф_* ? 3,03

_ЗАВИХР = 32,44 • Ф_*⁴ - 259,54• Ф_*³ + 769,84• Ф_*² - 994,47• Ф_* + 477,5; (16)

рівняння коефіцієнта місцевого опору "сухого" циліндричного патрубка ПВСЕ з тангенціальними щілинами для попередньої сепарації на відстані 5·d від завихрювача має вигляд

_ПАТ = [-0,329•Ф_*^1,68•ln(L/d) + 0,785•Ф_* ^1,72 ]•L/d; (17)

рівняння коефіцієнта місцевого опору "сухого" циліндричного патрубка ПВСЕ без тангенціальних щілин для попередньої сепарації має вигляд

_ПАТ = [-0,286•Ф_*^2,7•ln(L/d) + 0,783•Ф_* ^1,97 ]•L/d; (18)

рівняння коефіцієнта місцевого опору "сухої" діафрагми має вигляд

_ДІАФР(Ф_вих)= 0,363•Ф_вих - 0,02; (19)

рівняння коефіцієнта місцевого опору виходу закрученого потоку з труби (або сепараційної діафрагми) за відсутністю в потоці рідкої фази має вигляд

_ВИХ (Ф_вих)= 1,148•Ф_вих - 0,373. (20)

Рівняння коефіцієнта , що враховує наявність в потоці рідкої фази, має вигляд

= 1 + 0,645•L_f ^1,12 / G ^0,823. (21)

Якщо коефіцієнт необхідно виразити через питому масову щільність зрошення на елемент L_sm, тоді рівняння має вигляд

= 1 + 9•10 ^{- 4} •L_sm / G ^0,861, (22)

де L_sm - питома масова щільність зрошення на елемент, кг/(м²·год.).

Розбіжність результатів розрахунку аеродинамічного опору з використанням рівнянь (12) і (13) з результатами експериментальних досліджень не перевищує 6 %, що дозволяє їх використання в інженерній практиці.

Експериментальні дослідження по визначенню ступеня очищення газу від рідини дослідних зразків ПВСЕ проводились на системі „ повітря - вода " в діапазоні змінення фактора швидкості газу в патрубку ПВСЕ

F = 10 ч 45 Па^0,5 та питомої щільності зрошення на елемент

L_f = 20 ч 307 м³ / (м² • год.), що відповідало відношенню масової витрати рідини до газу

L_m /G = 0,39 ч 8,11 (кг/кг). Результати експериментів дозволили виявити чотири робочі зони ПВСЕ: під час питомого зрошення

L_f ? 106 м³ / (м² • год.) 1-ша зона - зона захлинання відповідає фактору швидкості газу в патрубку ПВСЕ

F 12 Па^0,5, 2-га зона - перехідна

12 F 15 Па^0,5, 3-тя зона - зона сталої роботи 15 F 39 Па^0,5 і 4-та зона - зона вторинного виносу рідини з газом

F 39 Па^0,5; під час питомого зрошення L_f = 307 м³ / (м² • год.) (рис. 6) зона захлинання відповідала F 15 Па^0,5, перехідна зона 15 F 21 Па^0,5, зона сталої роботи

21 F 39 Па^0,5

і зона вторинного виносу рідини з газом F 39 Па^0,5. В інженерній практиці проектування сепараційного обладнання на базі ПВСЕ нової конструкції рекомендується виконувати в діапазоні 15 F 39 Па^0,5.

У п'ятому розділі виконано порівняння аеродинамічних характеристик і ступеня очистки газу у відцентрових елементах нової конструкції з КСЕ УкрНДІгазу (рис. 7, 8). Максимальне перевищення аеродинамічного опору нового ПВСЕ над опором КСЕ УкрНДІгазу на всьому діапазоні досліджень виявилось не більше 100 мм. вод. ст.

Як показали лабораторні дослідження (рис. 8), робочий діапазон нових ПВСЕ, як по газовій, так і по рідкій фазі більш ніж у двічі перевищує робочий діапазон КСЕ УкрНДІгазу. Отримані результати досліджень аеродинамічного опору та ступеня очистки газу у ПВСЕ в умовах промислу (табл. 1, 2) добре співпали з результатами розрахунків за методом, що представлений у другому розділі дисертаційної роботи.

Таблиця 1

Порівняння результатів розрахунку аеродинамічного опору ПВСЕ з результатами промислових досліджень

Сепаратор та місце впровадження	Аеродинамічний опір розрахунковий, ДPрозр, Па	Аеродинамічний опір за результатами промислових досліджень, ДPексп., Па
ГСВВ 800-64, УКПГ-1 Юліївського НГП	1300	1000 ± 400
СВВ 800-64, Ульянівська УКПГ Перещепинського НГП	545	640 ± 400

Таблиця 2

Порівняння результатів розрахунку ступеня очистки газу з результатами промислових досліджень

Сепаратор та місце впровадження	Ступінь очистки газу розрахункова, розр, %	Ступінь очистки газу за результатами промислових досліджень, експ., %	Розбіжність розрахунку та результатів промислових досліджень, %
СВВ 500-64, Березівська УКПГ Краснокутського НГП	100	99,3	0,7
Вхідний сепаратор С-1 УКПГ Копилівського ГКР	100	100	0,0
СВВ 500-64, Безлюдівська УКПГ Юліївського НГП	100	99	1,0

Економічний ефект від впровадження ПВСЕ нової конструкції в сепараторі СВВ 500-64 Березівської установки комплексної підготовки газу Краснокутського нафтогазового промислу Газопромислового управління "Харківгазвидобування" склав 55,3 тис. грн. на рік.



ВИСНОВКИ

За результатами виконаної дисертаційної роботи можна зробити наступні висновки та практичні рекомендації:

1. Виконаний аналіз відомих конструкцій ПВСЕ, які використовуються в сепараційному обладнанні установок підготовки газу показав, що сепаратори з контактно-сепараційними елементами УкрНДІгазу мають найменшу питому металоємність серед відцентрових сепараторів та є самими компактними і ефективними при очистці великих об'ємів газу, але мають вузький діапазон навантажень за газовою та рідкою фазами, в межах якого вони забезпечують ступінь очистки газу від рідини не менше 99 %, через що дані конструкції ПВСЕ потребують вдосконалення.

2. З проведеного аналізу особливостей закручених потоків та їх аеродинамічних характеристик виявилось доцільним отримання критеріального рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ з відносною довжиною циліндричного патрубка L/d ? 8.

3. Виконаний аналіз в області методів розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ показав, що сучасні методи розрахунку не враховують: характерної структури закрученого потоку у поздовжньому та поперечному напрямку каналу, в якому рухається закручений потік; згасання інтенсивності закрутки по мірі віддалення потоку від завихрювача; зміну густини газу у радіальному напрямку під впливом відцентрових масових сил; зміну рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ, а тому дані методи розрахунку потребують вдосконалення.

4. Створено, досліджено та впроваджено у виробництво нові конструкції ПВСЕ з робочим діапазоном навантажень за газовою та рідкою фазами в межах фактора швидкості газу в патрубку ПВСЕ від 15 до 39 Па^0,5 та питомого зрошення до 307 м³/(м² • год.), у той час як у попередніх КСЕ УкрНДІгазу робочий діапазон знаходився у межах фактора швидкості газу від 15 до 20 Па^0,5 та питомого зрошення до 110 м³/(м² • год.).

5. За результатами експериментальних досліджень ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ нової конструкції виявлено чотири зони (режими) роботи: зона захлинання, перехідна зона, зона сталої роботи і зона вторинного виносу рідини з газом. Під час питомого зрошення L_f ? 106 м³ / (м² • год.) вони визначаються фактором швидкості газу в патрубку сепараційного елемента в інтервалі: F 12 Па^0,5, 12 F 15 Па^0,5, 15 F 39 Па^0,5 і F 39 Па^0,5, відповідно. Під час питомого зрошення L_f = 307 м³ / (м² • год.) дані зони знаходяться в інтервалі: F 15 Па^0,5, 15 F 21 Па^0,5, 21 F 39 Па^0,5 і F 39 Па^0,5, відповідно.

6. В інженерній практиці проектування сепараційного обладнання на базі нових ПВСЕ рекомендується виконувати в діапазоні 15 F 39 Па^0,5.

7. Оптимальне поєднання якості очистки газу і падіння статичного тиску на тарілці з ПВСЕ досягається завихрювачами з початковим інтегральним параметром закрутки в інтервалі 0,6 ? Ф_* ? 0,88.

8. Розроблено новий метод розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ з урахуванням зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, а також з урахуванням зміни рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ.

9. В інженерній практиці представлений метод розрахунку ступеня очистки газу рекомендується використовувати для фактора швидкості газу в патрубку ПВСЕ в межах від 15 до 45 Па^0,5.

10. Одержано критеріальне рівняння коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ з аксіально-лопатковим завихрювачем, інтегральний параметр закрутки якого знаходиться в межах Ф_* = 0,75 1,48, з тангенціальним завихрювачем з Ф_* = 0,45 3,03, циліндричним патрубком з відносною довжиною L/d ? 8, сепараційною діафрагмою зі ступенем діафрагмування 0,85 при роботі як в "сухому" режимі, так і при наявності в потоці рідкої фази в об'ємі L_f ? 106 м³ / (м² • год.).

11. Впровадження сепараційного обладнання з новими ПВСЕ в установках комплексної підготовки газу на газоконденсатних родовищах України дало змогу понизити точку роси товарного газу як по волозі, так і по вуглеводням, підвищити якість підготовки газу та отримати додатковий вуглеводневий конденсат у якості додаткового товарного продукту, кількість якого лише на Березівській УКПГ склала 0,44 м³/добу. Економічний ефект від впровадження нових ПВСЕ у складі сепаратора СВВ 500-64 на Березівській УКПГ складає 55,3 тис. грн. на рік.

12. Отримані результати промислових досліджень аеродинамічного опору та ступеня очистки газу в ПВСЕ добре співпали з результатами лабораторних досліджень та теоретичних викладок.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тюрін В.В. Визначення мінімального радіуса крапель, які відділяються з газорідинного потоку у відцентровому сепараційному елементі / В.В. Тюрін, В.В. Дячук, О.Ф. Редько // Питання розвитку газової промисловості України: Зб. наук. праць. - Харків: Український науково-дослідний інститут природних газів, 2007 р. - Вип. XXXV. - С. 102 - 108.

Особистий внесок автора: запропоновано новий підхід до розрахунку мінімального радіуса крапель, які відділяються у ПВСЕ, з урахуванням зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу.

2. Тюрін В.В. Спрощений метод розрахунку поля осередненої швидкості вісесиметрично закрученого турбулентного потоку в циліндричному каналі. Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут": Зб. наук. праць. Тематичний випуск "Хімія, хімічна технологія та екологія". - Харків: НТУ "ХПІ", 2008. - № 41. - С. 83 - 92.

3. Тюрин В.В. Исследование гидравлических характеристик и степени очистки газа в новых прямоточных центробежных сепарационных элементах УкрНИИгаза // Питання розвитку газової промисловості України: Зб. наук. праць. - Харків: Український науково-дослідний інститут природних газів, 2008 р. - Вип. XXXVІ. - С. 225 - 229.

4. Пат. 14058 Україна, МПК В 01 D 45/12. Сепараційний елемент / В.В. Тюрін, Л.О. Бондаревська, І.С. Атаманчук, І.І. Хомин, О.В. Євсєєв, Є. О. Летюк, М.С. Чусь; заявник і патентовласник ДК Укргазвидобування. - № 200509312; заявл. 03.10.05; опубл. 17.04.06, Бюл. № 4. - 4 с. : іл.

Особистий внесок автора: складено формулу винаходу, реферат та заявку на винахід.

5. Пат. 55818 А Україна, МПК В 01 D 3/30, В 01 D 3/28. Контактно-сепараційний елемент / В.В. Тюрін, С.І. Чернишов; заявник і патентовласник В.В. Тюрін, С.І. Чернишов. - № 2002075366; заявл. 01.07.02; опубл. 15.04.03, Бюл. № 4. - 5 с. : іл.

Особистий внесок автора: складено формулу винаходу, реферат та заявку на винахід.

6. Пат. 2761 Україна, МПК В 01 D 45/12. Сепараційний елемент / В.В. Тюрін, Л.О. Бондаревська, В.С. Сливканич, Г.О. Хоменко, М.С. Чусь; заявник і патентовласник ДК Укргазвидобування. - № 2003098739; заявл. 25.09.03; опубл. 16.08.04, Бюл. № 8. - 2 с. : іл.

Особистий внесок автора: складено формулу винаходу, реферат та заявку на винахід.

7. Тюрін В.В. Визначення критеріального рівняння коефіцієнта місцевого опору прямотечійних відцентрових сепараційних елементів як з аксіально-лопатковим, так і з тангенціальним завихрювачем [Електронний ресурс] : матеріали міжнародної науково-технічної конференції молодих учених ["Техніка і прогресивні технології в нафтогазовій інженерії"], (Івано-франківськ, 16-20 вересня 2008 р.) / МОН України, ІФТУНГ. - Ів.-Франківськ. : ІФТУНГ, 2008. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM): кольор.; 12 см. - Систем. вимоги: Pentium-266 ; 32 Mb RAM ; CD-ROM ; Windows 95/98/2000/NT/XP ; Acrobat Reader 5. - Назва з титул. екрану.

8. Тюрин В.В. Сепарационное оборудование на базе прямоточных центробежных сепарационных элементов УкрНИИгаза [Електронний ресурс] : матеріали міжнародної науково-практичної конференції ["Техника и технологии добычи и подготовки нефти и газа в осложнённых условиях эксплуатации"], (Москва, 24-25 червня 2008 р.). - М. : Медиа Миры, 2008. - 1 електрон. опт. диск (DVD-ROM): кольор.; 12 см. - Систем. вимоги: Pentium ; 1 Gb RAM ; DVD-ROM ; Windows NT/XP ; Microsoft Office 2007. - Назва з титул. екрану.



АНОТАЦІЯ

Тюрін В.В. Розробка і дослідження відцентрових елементів для сепараційного обладнання в системах підготовки газу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2009.

Дисертаційна робота присвячена розробці і дослідженню прямотечійних відцентрових сепараційних елементів (ПВСЕ), а також розробці нового методу розрахунку ступеня очистки газу від рідини в ПВСЕ з урахуванням зміни осьової та обертальної швидкостей, густини і статичного тиску газу у радіальному та поздовжньому напрямках каналу, в якому рухається закручений вісесиметричний потік, а також можливої зміни рівноважного розподілу крапель за розмірами після проходження газорідинним потоком завихрювачів ПВСЕ. Отримано критеріальне рівняння для розрахунку коефіцієнта місцевого опору ПВСЕ довжиною до 8 його внутрішніх діаметрів циліндричного патрубка. На основі одержаних результатів роботи в експлуатацію установок комплексної підготовки газу введено сім сепараторів діаметрами 300, 500, 600, 800 і 1200 мм з ПВСЕ нової конструкції, що дозволило підвищити якість підготовки газу та отримати додатковий вуглеводневий конденсат.

Ключові слова: сепарація крапель в полі відцентрових сил, очистка газу, ступінь очистки газу, прямотечійний відцентровий сепараційний елемент, поле осередненої швидкості вісесиметричного закрученого турбулентного потоку, аеродинамічний опір, критеріальне рівняння, коефіцієнт місцевого опору, відцентровий сепаратор.



АННОТАЦИЯ

Тюрин В.В. Разработка и исследования центробежных элементов для сепарационного оборудования в системах подготовки газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2009.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию прямоточных центробежных сепарационных элементов (ПЦСЭ), а также усовершенствованию их инженерных методов расчёта.

Разработаны и экспериментально испытаны новые конструкции ПЦСЭ, рабочий диапазон нагрузок которых по газовой и жидкой фазах находится в пределах изменения фактора скорости газа в патрубке ПЦСЭ от 15 до 39 Па^0,5. сепарація турбулентний очистка газ

Предложен новый метод расчёта степени очистки газа от жидкости в ПЦСЭ, который учитывает изменения осевой и вращательной скоростей, плотности и статического давления газа в радиальном и продольном направлениях канала, а также изменения равновесного распределения капель по размерам после прохождения газожидкостным потоком завихрителей.

Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик ПЦСЭ проводились на системе „воздух - вода" в диапазоне изменения фактора скорости газа в патрубке ПЦСЭ F = 10 ч 45 Па^0,5 и удельной плотности орошения L_f = 65 ч 106 м³ / (м² • час), что соответствовало отношению массового расхода жидкости к газу L_m /G = 0,4 ч 2,2 (кг/кг). Степень диафрагмирования выходного потока составляла 0,85.

На основе экспериментальных исследований получено критериальное уравнение коэффициента местного сопротивления ПЦСЭ, а также критериальные уравнения коэффициентов местного сопротивления его конструктивных составляющих: аксиально-лопаточного или тангенциального завихрителя, цилиндрического патрубка, сепарационной диафрагмы и сопротивления выходу закрученного потока из ПЦСЭ. Данные уравнения содержат безразмерные интегральные характеристики закрученных потоков (Ф_*, Ф_вых) и относительную длину (L/d) цилиндрического патрубка ПЦСЭ. Полученные критериальные уравнения позволяют определить аэродинамическое сопротивление ПЦСЭ и его конструктивных составляющих как при работе в "сухом" режиме, так и при наличии в потоке жидкой фазы в объёме L_f ? 106 м³ / (м² • час). Диапазон их применения ограничен аксиально-лопаточными завихрителями с Ф_* = 0,88 1,48, тангенциальными завихрителями с Ф_* = 0,45 3,03, а также относительной длиной цилиндрического патрубка L/d 8.

Анализ и сравнение степени очистки газа и аэродинамических характеристик аксиально-лопаточных и тангенциальных завихрителей позволило рекомендовать к использованию завихрители с 0,6 ? Ф_* ? 0,88 для оптимального сочетания степени очистки газа и аэродинамического сопротивления.

Экспериментальные исследования по степени очистки газа от жидкости в ПЦСЭ проводились на системе „воздух - вода" в диапазоне изменения фактора скорости газа в цилиндрическом патрубке ПЦСЭ F = 10 ч 45 Па^0,5 и удельной плотности орошения L_f = 20 ч 307 м³ / (м² • час), что соответствовало отношению массового расхода жидкости к газу L_m /G = 0,39 ч 8,11 (кг/кг). Результаты экспериментальных исследований позволили выделить четыре рабочие зоны ПЦСЭ: зона захлёбывания (F 12 15 Па^0,5), переходная зона (12 15 F 15 21 Па^0,5), зона стабильной работы (15 21 F 39 Па^0,5) и зона вторичного уноса жидкости (F 39 Па^0,5). В инженерной практике проектирование сепарационного оборудования с новыми ПЦСЭ рекомендуется выполнять в диапазоне 15 F 39 Па^0,5.

На основе полученных результатов работы в эксплуатацию установок комплексной подготовки газа газоконденсатных месторождений Украины введено семь сепараторов диаметрами 300, 500, 600, 800 и 1200 мм с ПЦСЭ новой конструкции. Внедрение данных сепараторов дало возможность понизить точку росы товарного газа, как по влаге, так и по углеводородам, повысить качество подготовки газа и получить дополнительный углеводородный конденсат в качестве дополнительного товарного продукта, количество которого лишь на Березовской УКПГ составило 0,44 м³/сут. при суточной добыче газа в 160 тыс.м³.

Ключевые слова: сепарация капель в поле центробежных сил, очистка газа, степень очистки газа, прямоточный центробежный сепарационный элемент, поле осредненной скорости осесимметричного закрученного турбулентного потока, аэродинамическое сопротивление, критериальное уравнение, коэффициент местного сопротивления, центробежный сепаратор.



SUMMARY

Tiurin V.V. Development and research of centrifugal elements for separating equipments of gas-treating installations. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of the candidate of engineering science in the specialty 05.23.03 - ventilation, lighting and heat-gas-supplying. - Kharkov state technical university of construction and architecture, Kharkov, 2009.

The thesis is dedicated to developing and researching of straight-throw centrifugal separating elements (STCSE) with a wide range of gas and liquid load for separating equipments of gas-oil fields, and also to developing the new method for calculation the degree of gas cleaning from liquid in the STCSE with considering the changes of axial and rotary profiles, density and static pressure in the radial and straight-throw directions of channel in which the axial symmetric twirled flow moves, probable changing in the equilibrium droplets size distribution after gas-liquid flow moves twirlers of the STCSE. The criteria equation of local friction STCSE coefficient is obtained for the STCSE with eight inner diameter cylindrical pipe branch. Due to obtained results seven separators with 300, 500, 600, 800 and 1200 mm inner diameters and new STCSE were commissioned in the complex gas treating installations.

Key words: droplets separation in the field of centrifugal forces, gas cleaning degree, straight-throw centrifugal separating element, twirled flow, axially symmetric twirled averaged turbulent flow field, aerodynamic resistance, criteria equation, local friction coefficient, centrifugal separator.

Размещено на Allbest.ru

...