Нефтегазовые сепараторы НГС

Внутреннее устройство сепаратора

Ниже представлены различные внутренние устройства, предназначенные для улучшения рабочих характеристик и повышения производительности сепараторов. Также описаны условия, определяющие целесообразность выбора конкретных внутренних устройств.

Входные устройства

Для эффективного разделения газожидкостного потока, поступающего на относительно высокой скорости из трубопровода в сепаратор, на газ, нефть и воду, а, иногда, отделения механических примесей, необходимо обеспечить спокойное равномерное распределение потока в сосуде.

Назначением входного устройства является снижение скорости входящей жидкости , что позволяет создать идеальные условия для сепарации.

Для достижения максимального эффекта необходимо использовать соответствующее входное устройство в комплексе с другими внутренними устройствами, например, перегородками. Конструкции и критерии выбора внутренних устройств описываются ниже.

Различные типы входных устройств могут использоваться в зависимости от технологических условий процесса, физико-химических свойств жидких и газовой сред и рабочих характеристик. Как правило, более сложное устройство более дорого в изготовлении, поэтому важно, чтобы выбор конкретного устройства был оптимален для данного технологического процесса. Возможно применение следующих входных устройств:

• Устройство хаф-пайп (пол-трубы) или входной дефлектор;
• Устройство лопастного типа;
• Устройство циклонного типа.

Особенности каждого устройства и условия, при которых целесообразно использование конкретного устройства, детально рассматриваются ниже.

Устройство хаф-пайп (пол-трубы)

Входное устройство хаф-пайп используется в качестве устройства общего назначения, которое может использоваться и при низком, и при высоком газовом факторе. Это наименее сложное из рассматриваемых входных устройств, но оно может использоваться в большинстве случаев.

Альтернативные устройства могут быть необходимы в случаях, когда:

• предъявляются жесткие требования к процессу сепарации нефти и воды;
• основная функция сепаратора — отделение газа от жидкости;
• особого внимания требуют вспенивание или дегазация тяжелой нефти.

Устройство хаф-пайп имеет трубчатую конструкцию с диаметром входного штуцера и открытым участком в нижней или верхней части. Хаф-пайп особенно хорошо подходит для процессов с потоками, где необходимо отделять газ от жидкой фазы, как это указано на рисунках 1-1 и 1-2.

Устройство хаф-пайп снижает скорость жидкости при входе в сепаратор и вызывает изменение направления её потока. Хаф-пайп направляет жидкость непосредственно к дну сосуда. При этом газ равномерно распределяется в верхней части сосуда, что способствует эффективному функционированию других устройств далее по технологической цепочке.

Рис. 1-1. — Низкий газовый фактор.

Рис. 1-2. — Высокий газовый фактор.

Устройство может также использоваться при сепарации потоков с низким содер-жанием жидкой фазы (высокий газовый фактор). В этом случае хаф-пайп устанавливается в сосуде так, чтобы открытая часть была расположена сверху (рис.1-2.). Такая конструкция исключает движение струи жидкости непосредственно на поверхность нефтяной фазы и предотвращает возможность уноса нефти с водой.

Входное устройство хаф-пайп может изготавливаться из разных материалов в зависимости от условий технологического процесса. Устройство может быть приварено непосредственно к корпусу, но обычно применяется с болтовым креплением для возможности монтажа и демонтажа через люк сосуда.

Устройство входа лопастного типа

Входное устройство лопастного типа может использоваться как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. В горизонтальных сепараторах поток жидкости поступает в сосуд через устройство, в котором скорость потока снижается, жидкость направляется к стенкам сосуда и движется вниз, а газ распределяется равномерно по поперечному сечению устройства. Распределение газа должно осуществляться без течения по каналам и обеспечивать эффективную работу других устройств далее по технологической цепочке.

Рис. 1-3. — Лопастное устройство (вид разгрузочного конца).

Так как поступающие жидкости не направлены вниз непосредственно на поверхность жидких фаз, то эффекты уноса минимизированы. Устройство может изготавливаться из разных материалов, чтобы соответствовать всем требованиям процесса. Может быть приварено непосредственно к корпусу, но, обычно, оно крепится болтовым креплением для монтажа через люк сосуда. Лопастное устройство подходит для решения большинства задач и особенно эффективно при высоких значениях газового фактора и при использовании в двухфазных сепараторах. Лопастное устройство обладает намного более высокой пропускной способностью, чем хаф-пайп.

Циклонное входное устройство

Циклонное входное устройство, как правило, состоит из коллектора и батареи вертикальных трубчатых циклонов. Входящая жидкость отклоняется к стенке трубы циклона, где образует пленку, которая затем стекает в нижнюю часть сосуда. Газ формирует центральное ядро вихря и удаляется через отверстие сверху в газовую фазу сепаратора. Внутренние устройства необходимы, чтобы остановить вращение жидкостей, поскольку они формируют завихрение, и предотвращения уноса жидкости в газовую фазу. Длина циклона рассчитана так, чтобы скорость входа жидких фаз была на оптимальном уровне, и инициировать отделение воды от нефти. Устройство может изготавливаться из разных материалов, чтобы соответствовать всем требованиям процесса. Обычно оно крептся болтовым креплением, для монтажа через люк сосуда.

Рис. 1-4. — Устройство входа с 10-тью циклонами.

Особенностью циклонного устройства является высокая эффективность предварительного разделения газовой и жидких фаз, достигаемая за счет больших значений центробежной силы и, соответственно, фактора разделения. Главное преимущество устройства заключается в том, что в нем из жидкой фазы удаляется значительная доля нефтяного газа, предупреждая образование пены и обеспечивая, таким образом, снижение расходов на химические реагенты, размеры сосудов и набор внутренних устройств. Это особенно актуально для нефтей, имеющих склонность к пенообразованию. Циклонные устройства обладают пропускной способностью, намного превышающей аналогичный параметр хаф-пайпа или лопастного устройства Рекомендуются к использованию при сепарации нефтей с высокими пенно-образующими свойствами, а, также, тяжелых высоковязких нефтей.

Перфорированные перегородки

Для достижения эффективной сепарации потоки в сепараторе должны быть равномерно распределены и нетурбулентны. Обширное тестирование и опыт применения продемонстрировали, что перфорированные перегородки особенно эффективны для достижения этих условий. Перегородки изготавливаются из разных материалов, чтобы соответствовать всем требованиям процесса. Обычно они монтируются болтовым креплением для установки через люк сосуда. Для простоты и удобства обслуживания должны быть предусмотрены люки доступа и средства дренажа.

Рис. 2-1. — Типичная одноэкранная перегородка.

Перегородки с одинарным экраном обычно используются в двухфазных сепараторах. В трехфазных сепараторах используются перегородки с двойным экраном. Для того, чтобы гарантировать оптимальную работу в зависимости от условий процесса используются различные виды перфорационных отверстий и открытых областей.

Каплеотбойники для газа

После отделения газов от жидких фаз в сепараторе газовая фаза будет течь вдоль верхней стенки сосуда; газ, в конечном счете, выводится через клапан, регулирующий давление. В процессе движения газа в сепараторе крупные капли жидкости осаждаются силой тяжести и, достигая межфазной поверхности, переходят в сплошную жидкую фазу в нижней части сосуда. Однако для осаждения мелких капель силы тяжести обычно оказывается недостаточно, и они остаются взвешенными в газовой фазе, что подтверждается на практике. Улучшение разделения достигается с помощью каплеотбойника, который задерживает жидкие капли и снижает унос жидкости с потоком газа на выходе до допустимого уровня, как правило, 0,01 мл на 1 м³.

Типы каплеотбойников:

• Сетчатые;
• Пластинчатые.

Оба типа позволяют достичь извлечения до 99% капель жидкости размерами свыше 10 мкм из потока газа. Ниже детально описывается конструкция каждого типа.

Сетчатые каплеотбойники

Сетчатые каплеотбойники — экономичные, универсальные и эффективные устройства для извлечения взвешенных капель жидкости из потока газа. Матричная конструкция или подушки вязаной проволочной сетки из различных материалов. Толщина нитей может варьироваться в соответствии с конкретными эксплуатационными требованиями. Извлечение жидких капель из газа в сетчатых каплеотбойниках осуществляется в несколько стадий:

• Взаимодействие капель с нитями сетчатого материала;
• Коалесценция захваченных капель на поверхности нити;
• Укрупнение капель и их осажде-ние.

Сетчатые каплеотбойники используются как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. Они изготавливаются в различных формах и профилях, чтобы соответствовать различным конфигурациям сосудов и могут быть секционными для удобства монтажа через люк сосуда.

Рис. 3-1. — Многосекционный сетчатый каплеотбойник.

Каплеотбойники обычно поставляются в комплекте с опорами, такими как кольцо и подвесы для поддержки; они позволяют легко и аккуратно установить конструкцию внутри сосуда. В комплект также можно включить другую фурнитуру, как зажимы, П-болты, и т.д. из спец. материала. Материал каплеотбойников и фурнитуры выбирается в соответствии с эксплуатационными требованиями. Сетчатые каплеотбойники имеют широкую область применения, за исключением сепарации тяжелых нефтей с высоким содержанием парафина и асфальтенов. Для сетчатых каплеотбойников обычно требуется большая площадь поверхности , чем для пластинчатых, однако сетчатые дешевле, чем пластинчатые, и обрабатывают эквивалентный поток газа.

Пластинчатые каплеотбойники

Пластинчатые каплеотбойники различных конструкций обеспечивают следующие преимущества:

• Высокая производительность;
• Устойчивость к засорению;
• Низкий перепад давления;
• Пеногашение.

Рис. 3-2. — Типичный пластинчатый каплеотбойник.

Конструкция включает серию параллельных пластин, установленных так, чтобы вынудить поток газа с каплями жидкости изменить направление несколько раз внутри пакета пластин. При изменении направления течения газа капли жидкости, обладающие большей плотностью и импульсом, продолжают движение по прямолинейной траектории и ударяются о поверхность пластин. Задержанные капли коалесцируют, укрупняются и под действием силы тяжести стекают по поверхности пластин в накопительную камеру, из которой поступают через дренаж в нижний отсек сепаратора. С целью предотвращения повторного уноса капельной жидкости конструкция оснащена карманами или складками, в которых создаются неподвижные зоны для скоалесцировавших капель. Вторая особенность пластинчатых каплеотбойников — это способность удерживать слой пены и, благодаря развитой площади, обеспечивать ускоренное разрушение пены.

Рис. 3-3. — Преимущества технологии и описание характеристик внутренних устройств.

Пластинчатые каплеотбойники могут использоваться как в вертикальных, так и в горизонтальных сепараторах. Обычно поставляются в виде батареи пластин в кожухе с размерами, рассчитанными для конкретного сепаратора с учетом эксплуатационных требований. Выбор материала пластин осуществляется исходя из условий технологического процесса. Каплеотбойники изготавливаются с болтовым креплением, удобным для установки и демонтажа через люк.

Коалесцирующие устройства жидкость/жидкость

В 3-х фазных сепараторах жидкость, текущая вдоль дна сосуда, разделяется на верхний углеводородный слой и нижний слой, представленный водной фазой. Капли нефти в водной фазе всплывают, двигаясь вверх, достигают межфазной поверхности вода-нефть и переходят в сплошную нефтяную фазу. Капли воды, взвешенные в нефти, напротив, оседают вниз и, достигнув межфазной поверхности, переходят в сплошную водную фазу. Нефть и вода выводятся из сепаратора раздельно, что обычно контролируется регуляторами уровня. Описанная выше гравитационная сепарация применяется для разделения больших объемов воды и нефти, однако степень разделения , достигаемого только гравитационным фактором , не соответствует техническим требованиям к качеству нефти и воды.

Поэтому существует необходимость улучшения разделения с помощью дополнительных устройств, которые должны обеспечить достижение необходимой степени разделения жидкостей. Такие устройства называются коалесцерами жидкость/жидкость. Принцип их действия состоит в инициировании быстрого контакта мелких капель, не отделяемых под действием только одной гравитации, с поверхностью пластин, их укрупнения и перехода в соответствующую нефтяную или водную фазу. Типы коалесцеров жидкость/жидкость: Пластинчатые Структурные При проектировании устройства важно, чтобы его конструкция гарантировала свободное удаление примесей и была предусмотрена система размыва и удаления шлама из сосуда. Применения таких устройств для тяжелых эксплуатационных режимов по возможности лучше избегать.

Пластинчатые коалесцеры

Жидкость, текущая вдоль дня сосуда, делится на верхнюю углеводородную и нижнюю водную фазу. Нефтяные капли в водной фазе всплывают вверх, пока не достигают границы раздела фаз, где они соединяются с нефтяной фазой. Капли воды в нефтяной фазе под действием силы тяжести осаждаются вниз, пока не достигают границы раздела фаз, где переходят в водную фазу. Устройство пластинчатого коалесцера состоит из серии плоских параллельных пластин, объединенных в блок, сквозь который протекают жидкие фазы внутри сепаратора. Близость пластин способствует сближению капель, их коалесценции и укрупнению, ускоряя их всплытие или осаждение, соответственно. При соприкосновении с поверхностью они сливаются, образуя пленку, текущую вдоль пластин, и, в конечном итоге, поступая в неподвижный канал между блоками пластин, свободно переходят в соответствующую фазу. Улучшение работы сепаратора при наличии коалесцера позволяет использовать сосуд меньших размеров или повысить производительность имеющегося сепаратора.

Рис. 4-1. — Блоки пластинчатого коалесцера.

Блоки пластин могут изготавливаться из различных материалов в зависимости от условий технологического процесса. Обычно монтируются с помощью болтового крепления через люк. При проектных расчетах можно прогнозировать степень повышения эффективности сепаратора, основываясь на условиях технологического процесса и геометрии блока пластин. Дистанция между пластинами, их длина и острота углов варьируются для того, чтобы достичь оптимального режима сепарации жидких фаз. Коалесцеры обычно применяются, когда есть полная гарантия их надежной эксплуатации для определенного процесса.

Структурные коалесцеры

Такой тип коалесцеров используется для улучшения коалесценции капель нефти и воды. В их конструкции используются тонкие рифленые пластины, на поверхности которых ускоряется коалесценция и укрупнение капель. Рифление пластин позволяет ускорить процесс в несколько раз. Такие конструкции коалесцеров позволяют использовать укороченной длины сосуды для максимального снижения веса и площадки для установки сепаратора. Структурные блоки также используются для модернизации старых сепараторов, что позволяет увеличить их производительность. Второе достоинство данного устройства состоит в том, что при установке пластин в газовой фазе они предотвращают образование пены в верхней фазе жидкости, так как увеличенная площадь поверхности дает время для разрушения пузырьков пены. Структурные коалесцеры применяются в горизонтальных и вертикальных сосудах, изготавливаются из различных материалов для соответствия технологическому процессу и обычно устанавливаются болтовым креплением через люк.

Рис. 4-2. — Структурный коалесцер.

При расчетах данного устройства обычно рассчитывается только цель и качество сепарации на выходе, так как невозможно формально вычислить степень коалесценции.

Системы впрыска для размыва

Технологические потоки обычно содержат шлам и механические примеси, которые аккумулируются на дне сосуда промысловых сепараторов. Рост слоя шлама приводит к проблемам в эффективности эксплуатации оборудования из-за потери объема и возможного блокирования штуцеров процесса. Кроме того, унос шлама может повредить оборудование дальше по технологической линии. При известных прогнозах объема шлама в технологическом процессе можно сконструировать систему для его размыва и удаления с помощью системы впрыска внутри сосуда, описанную ниже. Система размыва проектируется так, чтобы нагнетать воду под высоким давлением внутри сосуда. Нагнетаемая вода создает высокую турбулентность и взбалтывает слой шлама в густую жидкость, которая выводится через дренажную систему сосуда. Для этой системы необходимо проложить коллектор с форсунками вдоль линии дна сосуда по горизонтали. Форсунки устанавливаются парами или в другом порядке для достижения оптимального размыва.

В отдельных случаях с целью предотвращения забивки дренажных штуцеров шламом используется поддон для песка вдоль сосуда. За долгие годы проектирования и эксплуатации таких систем накопился обширный опыт и понимание динамики и механизма функционирования системы размыва. Основными узлами системы служат насадки и форсунки, устанавливаемые в определенной конфигурации для обеспечения интенсивности потока промывочной воды и охвата всей площади накопления шлама. При проектировании системы детально рассчитываются оптимальные объемы потребляемой воды, длительность её воздействия и качество форсунок по устойчивости к засорению, эрозии и коррозии. При оптимизации процесса промывки очень важно учитывать цикл каждой операции и количество нагнетаемой воды для каждого технологического случая. Есть также следующие дополнительные возможности системы размыва:

• Система проектируется индивидуально для каждого случая;
• Систему можно автоматизировать;
• Систему можно установить при модернизации старых установок;
• Можно использовать различные материалы в соответствии с требованиями процесса.

Вышеупомянутую систему размыва можно использовать для большинства случаев. Альтернативные системы размыва (такие, как циклонные или гидротранспортные устройства) могут быть спроектированы для каждого отдельного случая.

Рис. 5-1. — Система впрыска для размыва.