Инновационная технология осушки природных и нефтяных газов

Аннотация: Статья направлена на проблему поиска новых энергоэффективных технологий для переработки углеводородного сырья. В статье рассматривается возможность применения мембранной технологии для осушки углеводородных газов. Авторами выполнены расчетные исследования осушки газа с помощью мембран. Существенным недостатком мембран по результатам исследований является узел утилизации пермеата, что и сдерживает широкое применение данного метода для осушки газов.

Мембранные технологии газоразделения достигли значительных промышленных масштабов в конце 20-го столетия. Сегодня российский мембранный рынок составляет не более 1 % от мирового, что говорит о больших потенциальных перспективах развития мембранных технологий в России. Мембранные технологии чаще всего используются при подготовке природных и попутных нефтяных газов для удаления из них сероводорода, влаги, тяжелых углеводородов, гелия. Следует отметить, что опыт применения мембранного разделения газов для подготовки природного и нефтяного газа мал из-за низкой энергоэффективности [2].

Принцип действия мембранного способа осушки газа заключается в селективной проницаемости через мембрану углеводородов за счет перепада давления на мембране. Углеводороды газа не проникают через мембрану, остаются в области высокого давления – в полости мембраны, а влага и часть углеводородов, размеры молекул которых сопоставимы с размерами молекул воды, проникают через нее, образуя газ низкого давления – пермеат.

Основными характеристиками работы установки являются:

• коэффициент разделения потока или отбора пермеата – это отношение расхода пермеата к расходу осушаемого газа;
• перепад давления на мембране.

Для осушки газа используется половолоконная мембрана, которая состоит из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность непористого газоразделительного слоя. С помощью полимерных мембран содержание влаги в газах может быть снижено в 10…100 раз, что позволяет осушить газ до требуемого качества.

Главным недостатком мембранной технологии осушки природного газа является потеря метана более 1 % с пермеатом – газом низкого давления, который сжигается на факелах, загрязняя атмосферу. Это делает технологию менее конкурентоспособной. Поиск инженерных решений для сокращения потери метана позволил разработать схему с утилизацией потока пермеата путем его компримирования [3].

Принципиальная схема мембранной установки осушки газа с утилизацией пермеата приводится на рис. 1.

 

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема установки осушки газа

Обработке подвергается газ высокого давления, который предварительно очищается в сепараторе С-101 от капельной влаги и механических примесей. После предварительной очистки газ проходит тонкую очистку на блоке фильтров БФ-101 и поступает в газоразделительный мембранный блок ГРБ-101, в котором проводится осушка газа.

Осушенный газ поступает в газотранспортную систему, а пермеат – газ низкого давления, направляется на компримирование. Компрессором М-102 давление газа повышается до давления сырьевого газа, при этом температура газа повышается. Для охлаждения газа используется воздушный холодильник АВО-102. По мере снижения температуры газа влага конденсируется и в сепараторе С-102 происходит разделение газа и жидкости. После отделения воды, пермеат смешивается с газовым потоком, который поступает на блок фильтров БФ-101. Такая схема исключает сброс пермеата на факельную установку. Часть пермеата используется в качестве топливного газа для привода компрессора М-102.

В табл. 1 приводятся основные технологические параметры осушки газа мембранным методом (данные разработчика – ЗАО «Грасис»). 

Таблица 1

Технологические характеристики мембранной установки осушки газа

Работа мембранной установки рассчитана на рабочее давление до 5,5 МПа, ресурс работы мембранных модулей составляет 2,5 года [1].

Из данных табл. 1 следует, что в процессе осушки образуется газ низкого давления Р = 0,15 МПа – пермеат, количество его составляет 11,04 % от сырья летом и 8,6 % зимой. Экономическая и энергоэффективность промышленного применения данной технологии ограничивается затратами на компримирование и капитальными затратами на компрессорное оборудование.

Для оценки инженерного совершенства технологии осушки газа мембранным методом выполнены расчетные исследования, результаты которых приводятся в табл. 2. 

Таблица 2

Результаты анализа осушки газа мембранным методом

Из данных табл. 2 следует, что для утилизации пермеата путем компримирования и возврата в цикл осушки необходимо поднять давление от 0,15 МПа до давления 5,1 МПа. Степень сжатия газа в этих условиях составляет e = 35.

Для такой степени сжатия нерационально использовать центробежные компрессоры, которые экономичны при небольших степенях сжатия для объемов компримируемого газа более 5000 м³/ч [3]. При больших степенях сжатия КПД центробежного компрессора снижается и может достигать нескольких процентов, т. к. общий КПД компрессора связан со степенью сжатия следующим степенным выражением η = η_к² ,

где η – КПД компрессора;

η_к – КПД одной ступени;

n – число ступеней центробежного компрессора.

Из данных табл. 2 следует, что число ступеней сжатия для компримирования пермеата составит 18, тогда при КПД одной ступени сжатия 80 %, общий КПД машины составит 1,8 %.

На практике для компримирования газа объемом не более 12…15 тыс. м³/ч используются многоступенчатые поршневые компрессоры с промежуточным охлаждением сжимаемого газа между ступенями [3].

Из данных табл. 2 следует, что для сжатия пермеата, образующегося при осушке газа, энергозатраты составят 4462 кВт в летний период. В зимний период они несколько ниже.

При сжатии газа происходит его нагревание, поэтому применяется промежуточное охлаждение газа с помощью АВО после каждой ступени сжатия. Таким образом, второй составляющей энергозатрат на осушку газа мембранным методом являются энергозатраты на охлаждение. Из данных табл. 2 следует, что потребляемая мощность вентиляторов четырех АВО составляет 991 кВт.

Общая потребляемая мощность на компримирование пермеата (сжатие и охлаждение) составит в летний период 5452,8 кВт.

Коэффициент энергоемкости процесса утилизации (компримирования) пермеата составляет КЭП = 5452,8/54,65 = 99,8. Это свидетельствует о том, что фактические затраты энергии на утилизацию пермеата, образующего в процессе осушки, в 99,8 раз больше теоретически необходимых [4].

Выполненные исследования позволяют сделать следующий вывод – технология осушки природного газа мембранным методом в инженерном плане является несовершенной и высоко энергозатратной, удельные затраты энергии на осушку газа достигают 113 кВт/1000 м³, а расход топливного газа 8,7 тыс. м³/сут.

Однако следует отметить, что технология привлекательна в экологическом плане и это указывает на то, что за мембранными технологиями будущее и этим направлением исследований следует заниматься. Тому подтверждением являются пилотные испытания мембранного модуля производства ЗАО «Грасис» на Ключевской УПГ ООО «РН-Краснодарнефтегаз» с целью определения его газоразделительных характеристик, гидравлического сопротивления и качества осушенного газа, проведенные в 2010 г. В ноябре 2011 г. мембранный модуль для осушки газа был испытан в ООО «Газпром добыча Краснодар» на Лебединском и Марковском месторождениях [1].

Список литературы

1. Официальный сайт компании Грасис [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.grasys.ru (дата обращения: 10.11.2017).
2. Новые подходы к освоению гелийсодержащих месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока / Черепанов В. В., Гафаров Н. А., Минликаев В. З., Кисленко Н. Н., Семиколенов Т. Г., Гулянский М. А., Потехин С. В. // Газовая промышленность. 2012. № 6 (677). С. 22-26.
3. Аджиев А. Ю., Пуртов П. А. Подготовка и переработка попутного нефтяного газа в России. Краснодар : ЭДВИ, 2014. 776 с.
4. Гриценко А. И., Галанин И. А., Зиновьева Л. М. и др. Очистка газов от сернистых соединений при эксплуатации газовых месторождений. М. : Недра, 1985. 270 с.

 

Материал поступил в редакцию 21.11.2017
© Шестерикова Р. Е., Шестерикова А. А., 2017