Очистка природного газа от капельной жидкости и механических примесей осуществляется в низкотемпературных газосепараторах (НТГС), эффективность которых зависит от распределения потока внутри аппарата. Цель работы — исследование процесса сепарации и оценка эффективности модернизации конструкции методом численного моделирования.

Анализ исходной конструкции и постановка задачи исследования

В исходной конструкции низкотемпературного газосепаратора применяется отклоняющее устройство, обеспечивающее изменение направления и частичное закручивание потока.

Анализ процесса сепарации показал, что существует неравномерное распределение газожидкостного потока перед входом в циклонные элементы. В результате происходит концентрация жидкости и механических примесей в пристенной зоне аппарата, что приводит к перегрузке периферийных и недостаточной загрузке центральных циклонных элементов.

Таким образом, эффективность работы низкотемпературного газосепаратора определяется равномерностью распределения потока.

Методика численного моделирования

Исследование проводилось методом численного моделирования в программном комплексе Solid Works Flow Simulation на основе геометрической модели низкотемпературного газосепаратора.

Изначально заданы исходные частицы водометанольной смеси, газоконденсата и механических примесей диаметром от 1 мкм до 150 мкм.

В ходе моделирования анализировались распределение скоростей, траектории движения частиц, характер движения газожидкостного потока и загрузка циклонных элементов.

Полученные результаты использовались для оценки эффективности исходной конструкции и разработки предложенной модернизации.

Результаты исследования исходной конструкции

Установлено, что распределение газожидкостного потока внутри аппарата сопровождается повышенной концентрацией частиц в пристенной области корпуса.

Полученные результаты демонстрируют выраженную концентрацию капельной фазы в периферийной части аппарата. Наблюдаемое перераспределение потока приводит к повышенной загрузке части циклонных элементов. Распределение механических примесей также подтверждает концентрацию частиц в пристенной зоне аппарата и недостаточную загрузку центральных циклонных элементов.

Рис. 1. Анимация движения частиц на тарелке для водометанольной смеси и газоконденсата для исходной конструкции НТГС

При максимальных режимах эксплуатации это может приводить к локальной перегрузке циклонных элементов и снижению эффективности очистки газа.

Полученные результаты подтвердили целесообразность модернизации конструкции.

Разработка модернизированной конструкции

Предлагаемая модернизация предусматривает замену отклоняющего устройства на газораспределительное для выравнивания потока и обеспечения равномерной загрузки циклонных элементов.

Эффективность модернизации оценивалась методом повторного численного моделирования.

Результаты моделирования показывают более равномерное распределение жидкой фазы по площади сепарационной тарелки и снижение локальной концентрации частиц. Распределение механических примесей также демонстрирует устранение выраженной пристенной концентрации и более полное использование площади сепарационной тарелки. Исходя из геометрии низкотемпературного газосепаратора и заданных условий в Solid Works Flow Simulation была разработана предварительная конструкция газораспределительного устройства.

Рис. 2. Анимация движения на тарелке для водометанольной смеси и газоконденсата для предлагаемой конструкции НТГС

Сравнительный анализ эффективности сепарации

Для оценки эффективности модернизации проведено сравнение показателей исходной и предлагаемой конструкции.

Результаты моделирования показывают положительное влияние изменения структуры потока на работу аппарата.

Для частиц газоконденсата и водометанольной смеси размером 25–100 мкм, а также механических примесей 10–100 мкм эффективность сепарации увеличивается в среднем на 5 %.

Для фракции 1–10 мкм наблюдается снижение эффективности порядка 5 %, связанное с устранением локальных зон повышенных скоростей.

В целом модернизация приводит к улучшению показателей:

— общая эффективность сепарации увеличивается на 0,57 %;

— эффективность удаления механических примесей — на 1,86 %.

Полученные результаты подтверждают влияние равномерности распределения потока на эффективность работы газосепаратора.

Таблица 1

Сравнение эффективности сепарации исходного и предлагаемого низкотемпературного газосепаратора

Выводы

Установлено, что снижение эффективности работы низкотемпературного газосепаратора вызвано неравномерным распределением газожидкостного потока из-за конструкции входного отклоняющего устройства. Модернизация с заменой его работы низкотемпературного на газораспределительное устройство обеспечивает более равномерное распределение потока и повышает общую эффективность сепарации на 0,57 %. Для частиц 10–100 мкм эффективность возрастает примерно на 5 %, при этом снижение улавливания мелкой фракции компенсируется её последующим удалением в циклонных элементах. Результаты подтверждают эффективность предложенной модернизации.

Литература:

1. Ахлямов М. Н., Байгузин Ф. А., Шигапов И. М., Хайруллин Г. М. Методика и устройство измерения уноса капельной жидкости на установках подготовки газа // Газовая промышленность. — 2009. — № 4. — С. 79–80.
2. Захаров В. П. Сепарационные процессы в нефтегазовой отрасли. — М.: Недра, 2002. — 342 с.
3. Арнольд К. Справочник по оборудованию для комплексной подготовки газа. Промысловая подготовка углеводородов: пер. с англ. / К. Арнольд, М. Стюард. — М.: ООО «Премиум Инжиниринг», 2009. — 630 с.
4. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. BHV. 2012. 445 c.
5. SolidWorks Corporation. SolidWorks Flow Simulation 2009 Tutorial. 2009. 244 c.
6. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. ДМК Пресс. 2010. 466 с.
7. Патент RU 2 277 959 C2.
8. Патент RU 2 394 623 C1.