Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА ПРИ ПОДГОТОВКЕ К ТРАНСПОРТУ

Изобретение относится к газонефтяной промышленности и может быть использовано в процессах промысловой и заводской обработки углеводородного газа, в частности, при охлаждении сырого углеводородного газа после дожимных компрессоров в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) перед последующей осушкой при подготовке его к транспортировке.

Известно, что чем ниже температура сырого углеводородного газа после дожимного компрессора, тем ниже эксплуатационные затраты в процессе осушки при подготовке газа к транспортировке и выше качество товарного газа.

Известен способ охлаждения сырого углеводородного газа после дожимных компрессоров (см. Гриценко А.И. и др. "Сбор и промысловая подготовка газа на Северных месторождениях России". - М.: ОАО "Издательство "Недра", 1999, с. 318-320), включающий подачу теплого газа во входной коллектор АВО, затем в пучок теплообменных труб, после чего в выходной коллектор и далее на осушку. Холодильный агент в виде потока атмосферного воздуха подается вентилятором поперек пучка теплообменных труб. Чем ниже температура охлажденного газа, тем ниже эксплуатационные затраты на последующую осушку и подготовку к транспортировке в целом.

Однако в этих аппаратах при охлаждении газа ниже температуры гидратообразования (эта температура обычно выше нуля градусов по Цельсию) образуются кристаллогидраты. Появившиеся в теплообменных трубках (ТТ) зародыши гидратов закрепляются (примерзают) на внутренних стенках ТТ в зоне минимальных температур. Процесс отложения гидратов на внутренних стенках ТТ приводит к уменьшению проходного сечения трубки и, соответственно, к снижению расхода охлаждаемого газа через трубку. Снижение расхода ведет к ускорению охлаждения газа и активизации процесса гидратообразования. Таким образом, процесс идет с ускорением и приводит к полному перекрытию внутреннего сечения ТТ, выходу ее из строя и разрушению. Скорость и глубина охлаждения сырого углеводородного газа зависят от колебания температуры атмосферного воздуха. Учитывая фактор неравномерности теплопередачи в аппарате воздушного охлаждения, описанный процесс появления кристаллогидратов может происходить на фоне средней температуры выхода газа из АВО выше температуры начала гидратообразования. В связи с изложенным выше:
- не полностью используются технические возможности АВО по охлаждению газа;
- температуру охлажденного газа после АВО приходится держать существенно выше температуры гидратообразования.

Известен способ регулирования температуры охлажденного сырого газа в АВО по температуре стенки ТТ (см. Давлетов К.М. и др. "Методика теплового расчета аппаратов воздушного охлаждения газа при ограничениях по минимально допустимой температуре внутренней поверхности трубы". //НТС. Сер. Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа. ИРЦ Газпром. - 1997. - 9-10. - С. 39-45). Однако этот способ использует усредненные показатели и не ориентирован на неравномерность теплопередачи и неравномерность потока охлаждаемого газа по теплообменным трубкам.

В связи с изложенным авторы настоящего предложения провели исследования неравномерности теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения и определили следующие зависимости температуры газа на выходе из АВО (фиг. 1).

Согласно проведенным авторами исследованиям температура газа после АВО снижается от верхнего ряда к нижнему. Чтобы не было условий для образования гидратов в охлаждаемом газе, приходится ориентироваться на минимальную температуру в нижнем ряду ТТ и не допускать ее снижения ниже температуры начала гидратообразования, хотя при этом средняя температура охлажденного газа после АВО существенно выше. Оптимальным было бы иметь одинаковую температуру по всем рядам ТТ, но для этого необходимо, чтобы расход газа по нижнему ряду был максимальным, а по верхнему ряду минимальным. Чтобы получить такой эффект, необходимо изменить конструкцию АВО, что сложно.

Из известных способов обеспечения переменного расхода среды (газ, жидкость) по трубкам, имеющим коллекторы на входе и выходе, наиболее близким к заявленному является способ, предложенный в работе (Пучкин А.Е. "Аналитическое исследование гидравлических характеристик коллекторных систем теплообменных аппаратов". - Теплоэнергетика, 1972, 12, стр. 60-63 - прототип).

В приведенной работе рассматриваются разные варианты (фиг. 2) работы теплообменника с коллекторной системой на входе среды в теплообменные трубки и выходе из них. С точки зрения стоящей задачи обеспечения равномерности теплопередачи отдается предпочтение варианту с наиболее равномерным распределением перепада давления и, следовательно, расхода среды по теплообменным трубкам.

Однако авторами предлагаемого изобретения ставится и решается задача: получение равномерного распределения температуры по рядам теплообменных трубок, объединенных на входе и выходе коллекторами с целью обеспечения безгидратного режима охлаждения сырого углеводородного газа атмосферным воздухом после компримирования газа. С этой точки зрения наиболее предпочтительным является вариант работы коллекторной системы с максимальной неравномерностью поступления охлаждаемого газа в теплообменные трубки. При этом максимальную подачу газа осуществляют в зону интенсивного охлаждения теплообменных трубок со стороны набегающего потока хладагента.

Заявленный способ включает поступление охлаждаемой (нагреваемой) среды в распределительный коллектор аппарата, затем в теплообменные трубки, в выходной коллектор и далее в технологический процесс.

Техническим результатом, положенным в основу создания настоящего изобретения, является обеспечение безгидратного охлаждения сырого углеводородного газа при максимальном снижении его температуры в АВО потоком атмосферного воздуха.

Указанный технический результат достигается в процессе осушки и подготовки сырого углеводородного газа к транспорту путем охлаждения перед осушкой сырого газа в аппаратах воздушного охлаждения с несколькими рядами теплообменных труб с входным и выходным коллекторами, причем подачу газа во входной и удаление его из выходного коллектора осуществляют в одном направлении, а охлаждающий агент, например атмосферный воздух, подают в межтрубное пространство в противоположном направлении.

Преимущество предлагаемого способа состоит в том, что при охлаждении сырого газа потоком холодного атмосферного воздуха в зимних условиях обеспечивается оптимальное охлаждение сырого углеводородного газа без образования кристаллогидратов в аппарате воздушного охлаждения.

При этом неравномерность теплопередачи по высоте (по рядам) теплообменных трубок компенсируется обратной неравномерностью распределения потока газа в коллекторах, соединяющих теплообменные трубки, тем самым сглаживая неравномерность охлаждения сырого газа по аппарату в целом и понижая температуру охлаждения газа без опасности загидрачивания аппарата (фиг. 3).

На фиг. 3, а показана схема работы существующих АВО и приведены эпюры скоростей и температур на выходе из рядов (1...n) ТТ. На графике 3,б показана схема работы АВО по предлагаемому изобретению. Эпюра температур газа на выходе из ТТ имеет равномерный характер.

Имеется дополнительный эффект, заключающийся в том, что предлагаемый способ не увеличивает перепада давления на аппарате при охлаждении газа по сравнению с существующим способом.

Пример. Режим 1. После дожимной компрессорной станции подается газ на АВО с температурой 50^oС. Температура атмосферного воздуха минус 3^oС.

При существующей схеме охлаждения сырого углеводородного газа (см. фиг. 3,а) и одном (из двух) по ходу газа работающем вентиляторе распределение температур по рядам теплообменных труб представлено в прилагаемой таблице. Минимальная температура охлажденного газа в нижнем ряду и отличается от средней на 7,2^oС.

В режиме 3 при двух работающих вентиляторах минимальная температура охлажденного газа в нижнем ряду ТТ составляла минус 2^oС и отличалась от средней на 4^oС. Работа на таком режиме возможна короткий отрезок времени, иначе произойдет загидрачивание теплообменных трубок и выход из строя аппарата воздушного охлаждения.

Новый режим 4 по предложенному способу (см. фиг. 3,б) приведен в графе 8 и 9 таблицы. Минимальная температура охлажденного газа составляет 7^oС и отличается от средней на выходе из аппарата на 1^oС.

Данные по режимам 1-4 осуществления способа приведены в таблице.

Использование предлагаемого способа охлаждения газа позволило снизить температуру охлаждения газа на 4-5^oС, что, в свою очередь, уменьшило риск гидратообразования в теплообменных трубках и снизило температуру точки росы подготовленного к транспортировке газа на 2-3^oС.