CC BY
84
УДК 004.942
А. Р. Велес-Пивоваров, Р. Велес Парра, В. А. Лукьянов, О. Н. Козырев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА АБСОРБЕРА ОЧИСТКИ ГАЗА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫ1Х ЭЛЕМЕНТОВ
A. R. Veles-Pivovarov, R. Veles Parra, V. A. Lukyanov, O. N. Kozyrev
APPLICATION OF PROGRAM COMPLEXES FOR MODERNIZATION OF ABSORBER DISTRIBUTION DEVICE OF GAS TREATING BY MEANS OF THE FINITE ELEMENT METHOD
Программные комплексы, основанные на методе конечных элементов, способны производить широкий круг технологических и механических расчетов объектов сложной геометрии. Результаты моделирования дают полное представление о состоянии и процессах, происходящих внутри оборудования, позволяя точно прогнозировать результаты предпринятых изменений оборудования. В результате ряда последовательных гидродинамических расчетов, в соответствии с определенным образом выстроенной логической схемой, были усовершенствованы распределительные устройства ввода сырого отсепарированного газа. Оптимальным углом поворота питателя выбран угол в 15° относительно вертикали, к центру абсорбера. При данном угле поворота наблюдается наименьшая скорость газа (0,287 м/с) в областях с наивысшей скоростью коррозии. Расчет, выполненный в Flow Simulation, имеет ряд недостатков - как и любая компьютерная модель, расчетная схема претерпела ряд упрощений и несет на себе отпечаток программных ограничений. Тем не менее выбранная модель удовлетворяет всем геометрическим требованиям и максимально учитывает все исходные данные и параметры протекания процесса очистки газа.
Ключевые слова: моделирование объектов, абсорбер, очистка газа, распределительное устройство, коррозия.
Program complexes based on the finite element method are capable to make a wide range of technological and mechanical calculations of difficult geometry objects. The results of the modeling give a full representation about the state and processes occurring in the equipment, allowing to precisely predict the results of the undertaken changes of the equipment. Distribution devices of crude separated gas input have been improved as the result of sequential hydrodynamic calculations, and in accordance with the exactly formed logic scheme. The optimum rotation angle of a feeder is a 15° corner relative to the vertical line, to the center of the absorber. At this rotation angle the lowest gas speed (0.287 km/s) is observed in areas with the highest speed of corrosion. The calculation executed in Flow Simulation has a number of lacks, as well as any computer model; the calculation scheme has undergone a number of simplifications and has some program restrictions. Despite this, the chosen model meets all geometrical requirements and as much as possible considers all initial data and parameters of gas treating processes.
Key words: objects modeling, absorber, gas treating, distribution device, corrosion.
Введение
В настоящее время программные комплексы, моделирующие реальные объекты и описывающие их работу, получают широкое распространение. Для оборудования нефтегазоперера-ботки особый интерес представляют программные комплексы, основанные на методе конечных элементов (МКЭ). Данные программы способны проводить широкий круг технологических и механических расчетов объектов сложной геометрии. Результаты моделирования дают полное представление о состоянии и процессах, происходящих внутри оборудования, позволяя точно прогнозировать результаты предпринятых изменений оборудования для их эффективного совершенствования [1].
В результате постоянного роста потребности в нефтепродуктах и отставания процесса реконструкции старых и строительства новых нефтеперерабатывающих заводов большой парк существующего оборудования эксплуатируется зачастую в неэффективных режимах. Данное обстоятельство приводит к ужесточению технологических параметров, отрицательно влияет на срок службы оборудования. Так, ужесточение технологических параметров работы, например, колонного оборудования, ведет к изменению динамических процессов распределения газожидкостных фаз, создающих условия для развития коррозионно-эрозионных процессов.
Постановка задач
С помощью современных программных комплексов и на основе эксплуатационных данных оборудования нефтегазопереработки возможно рассмотреть варианты и предсказать результаты того или иного предпринятого изменения внутренних устройств оборудования с целью улучшения их рабочих характеристик. Пример - усовершенствование питательной секции для абсорбера очистки сырого газа Астраханского газоперерабатывающего завода.
Методы и результаты исследования
Моделирование оборудования. Трехмерная модель действующей установки не всегда полностью соответствует своему реальному образцу. Насколько бы ни была совершенной программа, осуществляющая расчет, пусть даже на основе трехмерной модели, являющей точную копию реального объекта, результаты расчета всегда будут иметь степень погрешности или определенный интервал результатов расчета. Моделирование любого объекта всегда подразумевает ряд упрощений и ограничений. Именно поэтому в настоящее время нет необходимости прибегать к созданию точной трехмерной модели - достаточно взять изучаемую область оборудования и смоделировать все объекты и происходящие процессы, влияющие на конечный результат.
Рассмотрим абсорбер очистки газа Астраханского газоконденсатного месторождения (рис. 1). Наиболее дефектная зона данного колонного оборудования находится в питательной секции. Коррозионно-эрозионные повреждения в этой зоне достигают критической величины 3 мм в год. По это причине нет необходимости рассматривать другие участки оборудования, где скорость роста коррозионно-эрозионных дефектов лежит в пределах нормы - 0,25 мм/год.
Для моделирования была использована программа SolidWorks - программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, который обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Построенная модель (рис. 2) отражает реальное состояние внутренних контактных устройств с учетом некоторых упрощений.
В процессе очистки газа участвуют две среды: жидкая, представленная водным раствором диэтаноламина (ДЭА), и газовая, представленная природным газом. В настоящее время программный комплекс неспособен описать взаимодействие двух сред, находящихся в разных агрегатных состояниях, что требует исключения одной из сред. Так как основной средой является газ, то принимаем решение из расчета исключить жидкую фазу. Жидкая фаза, представленная раствором ДЭА, в колонне самотеком поступает в кубовую часть. Раствор ДЭА движется навстречу сырому газу, барботируя на контактных устройствах - сетчатых тарелках провального типа. В результате контакта быстро движущегося газа с раствором ДЭА, насыщенного кислыми компонентами, он попадает на внутреннюю поверхность обечайки, потому изменение динамики распределения газа внутри колонны является приоритетным решением, особенно в областях распределительного устройства, где наблюдается наивысшая скорость коррозии [2].
Но исключение одной из сред накладывает большую погрешность на достоверность получаемых результатов, в связи с чем было сделано следующее упрощение. Так как по эксплуатационным данным известны значения давления под и над первыми тарелками колонны, был выбран, путем последовательной аппроксимации, диаметр отверстий контактных устройств, который в исходном варианте составлял 12,7 мм.
О
Рис. 1. Общий вид абсорбера установки сероочистки сырого отсепарированного газа
Рис. 2. Графическая расчётная модель секции ввода сырого отсепарированного газа в абсорбер установки сероочистки
В результате расчета новый диаметр отверстий составил 8,9 мм, что дает значения давления, наиболее близкие к эксплуатационным. Таким образом, можно утверждать, что моделируемый участок колонны работает аналогично участку колонны, функционирующему в реальных условиях, как и наблюдаемые в модели процессы распределения и завихрения газа.
Расчетная часть
В настоящее время все более употребительным становится термин «вычислительный эксперимент». Суть этого метода организации теоретического исследования сложных прикладных проблем состоит в том, что на основе математической модели, в результате непосредственного численного решения соответствующих уравнений, количественно определяется поведение изучаемого объекта в тех или иных условиях. Сопоставление результатов расчетов с имеющимися данными наблюдений, натурных экспериментов позволяет оценить эффективность исходной математической модели и, при необходимости, модифицировать ее с тем, чтобы добиться большей ее адекватности рассматриваемому явлению. На основе прошедшей такую проверку модели появляется возможность прогнозировать поведение исследуемого объекта в условиях, пока недостижимых в натурном эксперименте, выяснить оптимальные параметры и режимы работы действующих или проектируемых конструкций.
Создание численных методов и программных комплексов, реализующих их на ЭВМ, в определенном смысле эквивалентно созданию крупных экспериментальных установок, а деятельность по проведению расчетов, обработке и интерпретации их результатов можно рассматривать как аналог реального физического эксперимента в лаборатории.
Алгоритм расчета усовершенствованного устройства показан на рис. 3.
Ошибка или большое количество КЭ
Рис. 3. Алгоритм расчёта усовершенствованного распределительного устройства
В нашем случае программный комплекс SolidWorks Simulation выполняет все необходимые операции - от разбиения модели на КЭ до графического представления полученных результатов. Остается выбрать граничные условия расчета и корректно задать исходные данные. Для рассматриваемой нами модели абсорбера в начальные данные входят: физические характеристики, скорость, давление и температура поступающего сырого газа. После задания требуемых данных необходимо указать величину КЭ. Принято считать, что чем мельче КЭ, тем более точным можно считать расчет. Но уменьшение размера КЭ влечет за собой увеличение их количества, а это, в свою очередь, расширяет алгебраическую систему уравнений, предъявляя более высокие требования к ресурсам компьютера и увеличивая время расчета.
На рис. 4 представлена расчетная модель, разбитая на КЭ. Особенность данного разбиения заключается в ручной настройке метода разбиения на КЭ с учетом локальной важности каждого расчетного участка модели. Менее ответственные участки были разбиты на крупные КЭ, а более важные места, особенно те, в которых имеются тонкие или узкие конструктивные элементы, требуют более точного разбиения на мелкие КЭ. Таким образом, можно достигнуть достаточной точности в разбиении модели и умеренной нагрузки на ресурсы компьютера [3].
Рис. 4. Сетка КЭ расчетной модели, выполненная в SolidWorks Simulation
Проектные распределительные устройства формируют струи газа, направленные в сторону сливных карманов. Локальная коррозия участков в зоне глухих торцов распределителей газа связана с тем, что динамический напор газового потока смещает вектор скорости выходящих из щелей струй в направлении движения потока. Поэтому, помимо продольной неравномерности поля скоростей газа в нижнем сечении абсорбера, существует и поперечная неравномерность, проявляющаяся в набегании газовых струй на стенку абсорбера по направлению движения потока в зонах распределителей газа. Наиболее интенсивные разрушения наблюдаются в зоне между уровнем жидкости и второй тарелкой, где процессы развиваются по коррозионно-эрозионному механизму. В данной зоне скорость коррозионно-эрозионного разрушения достигает больше 3,0 мм/год, а поражения имеют неравномерный характер в виде язв, пятен и вымывания металла.
Помимо упомянутых причин, коррозионное поражение металла между первой и второй тарелками связано с неблагоприятной гидродинамической обстановкой в данной зоне. Под влиянием высокой турбулентности и неравномерного распределения потоков происходит удар струй газожидкостной смеси о стенку абсорбера по определенным направлениям с образованием коррозионно-эрозионного разрушения на внутренней поверхности аппарата.
Основной задачей усовершенствования является значительное уменьшение коррозионноэрозионных дефектов в критических областях, указанных на рис. 5. Для решения данной задачи предложено усовершенствовать внутренние устройства абсорбера, включая модернизацию распределительных устройств подачи газа (питатель).
Рис. 5. Области критических скоростей коррозионно-эрозионных процессов питательной секции абсорбера
Для подачи сырого газа в абсорбер используются два трубчатых распределителя с переменным сечением. Корпуса распределителя представляют собой три последовательных участка труб диаметрами 0325, 0219 и 0159 соответственно, соединенные между собой с помощью
концентрических переходов. На верхней части каждого трубного участка, под углом 45° относительно вертикальной оси, проделаны две прорези длиной 600 мм и шириной 25 мм. Распределители крепятся к корпусу абсорбера с помощью фланцевого соединения со стороны трубы 0325 и опорной пластины со стороны трубы 0159.
Усовершенствования направлены, во-первых, на максимальное уменьшение скорости газа -с 17,6 м/с до рабочей скорости газа, равной 0,1 м/с, и, во-вторых, на уменьшение значительных перепадов давления в районах в непосредственной близости к корпусу. Данное условие необходимо обеспечить путем минимальных конструктивных изменений для облегчения ремонтных мероприятий и максимально быстрого, экономичного и простого способа реализации предложенного усовершенствования распределительного устройства.
Результаты расчетов
Помимо определения оптимальной конструкции распределительного устройства подачи газа, необходимо выбрать технологические данные процесса, способствующие установлению наименее агрессивного режима работы. Регулируемыми эксплуатационными данными являются нормальный расход подаваемого в абсорбер газа и количество раствора ДЭА. Для данных параметров разработана формула, связывающая скорость коррозии, нормальный расход газа и подачу раствора ДЭА (рис. 6) [4].
С = 42 71 -0 34 •V -0 042• V + 0 0013У2 + 0 0009 •V • V + 0 0001 • V2
Скор /А у газа и, у амина ~ у газа ~ ^ газа к амина ~ ^ 1 у амина •
Оптимальным технологическим параметром по рис. 6 выбран нормальный расход -98 000 нм3/ч и подача ДЭА равная 1 318 м /ч.
V-аза, ТЫС. НМ3/ч
Рис. 6. Зависимость скорости коррозии от расхода газа и объёма подачи раствора ДЭА
В результате многочисленных гидродинамических расчетов с помощью SolidWorks Flow Simulation установлена оптимальная конструкция питателя и угол поворота относительно вертикальной оси колонны.
Питатель решено выполнить с одной прорезью подачи газа, обеспечивающей проектный расход газа. Направленный вниз поток газа тратит большую часть своей кинетической энергии на трение с соседним входящим потоком газа и во время контакта с жидкостью (рис. 7). Тем самым газ теряет значительную часть своей кинетической энергии, и при этом устанавливается более благоприятный гидродинамический режим работы колонны.
Рис. 7. Схема движения потоков сырого газа питательной секции абсорбера
С учетом требования к минимальным конструктивным изменениям предложено оставить распределители газа прежней конструкции, изменив при этом только количество прорезей, оставив одну длиной 625 мм и шириной 50 мм на каждой секции питателя. Оптимальным углом поворота питателя был выбран угол в 15о относительно вертикали к центру аппарата (рис. 6). При данном угле поворота наблюдается наименьшая скорость газа (0,28 м/с) в областях с наивысшей скоростью коррозии (рис. 8).
- '
Скорость газа Скорость газа Угор
Рис. 8. Средняя скорость газа над первой тарелкой абсорбера:
Угор - горизонтальная составляющая скорости сырого газа
Данное значение скорости близко к величине рабочей скорости газа (0,1 м/с, максимально допустимая средняя скорость газа ~ 0,21 м/с) и наблюдается на участках колонны с установившейся скоростью газа и скоростью коррозии, не превышающей проектное значение (0,2-0,3 мм/год). В исходном варианте скорость в критических зонах достигает 1,0 м/с. Горизонтальная составляющая скорости, направленная от питателя к корпусу колонны, в результате изменения конструкции уменьшается с 0,5 до 0,007 м/с. Таким образом, найден способ уменьшения скорости потока газа путем изменения конструкции распределителей газа, что, в свою очередь, уменьшит скорость коррозии.
Очевидно, что любое изменение внутренней конструкции аппарата не должно нарушать регламентируемые технологические параметры его работы. Основным показателем устойчивой работы контактных устройств является равномерное распределение скорости потока газа по поверхности тарелки. С целью обоснования допустимости применения данного усовершенствования был произведен расчет, результаты которого сведены в рис. 9.
Скорость газа в исходном варианте Скорость газа 15 °
Линейная (скорость газа в исходном варианте) •=> Линейная (скорость газа 15°)
Рис. 9. Средняя скорость газа в критических зонах коррозионно-эрозионного разрушения: скорость газа 15° - скорость газа при 15° относительно вертикали
На рис. 9 светлой линией показана средняя скорость потока газа в исходном варианте, по которой видно, что наибольшее значение средней скорости наблюдается рядом с обечайкой, вследствие набегания газового потока на стенку аппарата. Двойная светлая линия показывает среднее аппроксимированное значение скорости газа, которая подтверждает смещение среднего значения скорости к обечайке. Темной линией представлена средняя скорость при повороте распределительного устройства на 15о относительно вертикали. Значение скорости практически однородно по длине контактного устройства, а аппроксимированная прямая практически горизонтальная - это и доказывает, что данное усовершенствование положительно скажется на общем гидродинамическом режиме работе аппарата.
На рис. 10 представлена эпюра скоростей потоков газа, демонстрирующая активный контакт газа в середине абсорбера на уровне ДЭА.
Рис. 10. Расчетная эпюра движения потоков сырого газа в расчетной модели абсорбера
Преимуществом данного условия работы является значительно меньший контакт высокоскоростных потоков газа с обечайкой в сравнении с исходным вариантом, что также можно наблюдать на эпюре.
Заключение
Подробно изучены причины возникновения коррозионно-эрозионных разрушений. Анализ видов разрушения и причин возникновения дефектов питательной секции абсорбера позволил усовершенствовать распределительное устройство подачи сырого отсепарированного газа в абсорбер установки сероочистки. Разработанное распределительное устройство максимально уменьшает скорость разрушений корпуса абсорбера, зависящих от неравномерности распределения потоков сырого газа.
Гидравлические расчеты для определения скоростей потока, давления и их влияния на скорость коррозионных процессов позволили выявить оптимальную конструкцию питателя. Выбрана конструкция питателя с одной прорезью и углом наклона в 15о относительно вертикали. Рассмотрены и обоснованы изменения в гидравлическом режиме работы и распределении потоков газа, произошедшие вследствие изменения конструкции питателя. Конструкцию выбирали по принципу минимальных изменений с расчетом, чтобы они могли быть применены с помощью доступного оборудования и при минимальных трудовых и финансовых затратах.
Расчетная модель, выполненная в Flow Simulation, как и любая компьютерная модель, претерпела ряд упрощений и несет на себе отпечаток программных ограничений. Несмотря на это, результаты расчета исходной компьютерной модели сходны с эксплуатационными данными работы установки и максимально учитывают все исходные данные и параметры протекания процесса очистки газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кеше Г. Коррозия металлов. Физико-химические принципы и актуальные проблемы. - М.: Металлургия, 1984. - 400 с.
2. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии / А. И. Скобло, Ю. К. Молоканов, А. И. Владимиров, В. А. Щелкунов. - М.: Недра-Бизнесцентр, 2000. - 680 с.
3. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. - M.: ДМК Пресс, 2010. - 464 с.
4. Семенова И. В., Флорианович Г. М., Хорошилов А. В. Коррозия и защита от коррозии. - М.: Физмат-лит, 2000. - 336 с.
Статья поступила в редакцию 1.12.2011 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Велес-Пивоваров Анатолий Рикардович - Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина; аспирант кафедры «Оборудование нефтегазопереработки»; [email protected].
Veles-Pivovarov Anatoliy Ricardovich - I. M. Gubkin Russian State University of Oil and Gas; Postgraduate Student of the Department "Equipment of Oil and Gas Refining"; [email protected].
Велес Парра Рикардо - компания «Сахалин Энерджи»; канд. техн. наук; старший механик по ремонту оборудования; [email protected].
Veles Parra Ricardo - Company "Sakhalin Energy"; Candidate of Technical Science; Chief Engineer of Equipment Maintenance; [email protected].
Лукьянов Виктор Алексеевич - Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина; канд. техн. наук; зав. кафедрой «Оборудование нефтегазопереработки»; [email protected].
Lukyanov Victor Alekseevich - I. M. Gubkin Russian State University of Oil and Gas; Candidate of Technical Science; Head of the Department "Equipment of Oil and Gas Refining"; [email protected].
Козырев Олег Николаевич - ООО «Газпром добыча Астрахань», служба главного механика; канд. техн. наук; зам. главного механика; [email protected].
Kozyrev Oleg Nickolaevich - Co Ltd. "Gazprom dobycha Astrakhan", Department of Chief Engineer; Candidate of Technical Science; Deputy of Chief Engineer; [email protected].
