Модель гидратообразования при течении сырого природного газа по трубам Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

вероятно снижение на 12 градусов при уменьшении затрат природного газа в два раза.

Приведенная модель системы подготовки газа на смену входных переменных X выдает отклик входных переменных Y в виде

Y = ¥(X,w) . (2)

При условии соответствующего подбора критерия оптимальности системы на базе преобразования (2) можно создать задачу по определению оптимальной структуры схемы процесса.

Нечеткая имитационная модель технологического процесса подготовки газа, будучи построенной на базе экспертных и полученных опытным путем данных, позволяет быстро оценивать характеристики

подготовленного природного газа при перемене Рисунок 7 - Зависимость температуры точки росы „

„ условий его добычи. Использование имитационной

от степени загрузки оборудования и издержек на

модели позволяет параметрически и структурно оп-

модернизацию

тимизировать производство, чтобы повысить каче-

„ п „ ство осушки газа.

Показатель G0 - оптимальный уровень загрузки J

оборудования, G=X . Благодаря выделению дополнительных средств на апгрейд на среднем уровне

ЛИТЕРАТУРА

1. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. - М.: Недра, 1992. - 235 с.

2. Стрижов И.Н., Ходанович И.Е. Добыча газа. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. - 376 с.

3. Вяхирев Р.И., Гриценко, А.И., Тер-Саркисов Р.М. Разработка и эксплуатация газовых месторождений.

- М.: Недра, 2002. - 890 с.

4. Абасов М.Т., Джалилов К.Н. Вопросы подземной гидродинамики и разработки нефтяных и газовых месторождений. Баку, Азернефтнешр, 1960. - 255 с.

5. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. - М.: Физматлит, 2001. - 224 с.

665.723, 621.593 Краснов А.Н.

ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия МОДЕЛЬ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ТЕЧЕНИИ СЫРОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА ПО ТРУБАМ

В статье рассматривается моделирование образования гидратов в трубе при течении влажного природного газа. Проведено сравнение результатов расчетов в одномерной и двумерной постановке. Получены зависимости влагосодержания от координат сечения трубы.

Ключевые слова

Аппараты воздушного охлаждения, гидратообразование, течение газа, влагосодержание.

На предприятиях по добыче природного газа широко применяются аппараты воздушного охлаждения (АВО). Они могут устанавливаться как после УКПГ (установок комплексной подготовки газа), так и после ДКС (дожимной компрессорной станции), задача которой - компримировать газ, прежде чем он будет попадет в магистральный газопровод. Монтируются АВО и на прочих участках УКПГ.

Аппараты воздушного охлаждения применяются, в том числе, на Уренгойском нефтегазоконденсатном месторождении (10-16 аппаратов). Каждый из них включает в себя 3 продольные теплообменные секции, состоящие из 6 рядов горизонтально расположенных оребренных труб. Каждый из рядов состоит из 30 (29) труб, размещенных в шахматном порядке. Под секциями с трубами на фундаменте монтируются 2 вентилятора, которые создают поток воздуха, идущий вверх.

Данные аппараты удовлетворительно понижают температуру осушенного газа и «сырого» природного газа при плюсовых значениях температуры воздуха в условиях работы в безгидратном режиме. С другой стороны, в зимнее время в процессе эксплуатации УНГКМ возникают некоторые проблемы с охлаждением «сырого» газа после дожимной компрессорной станции 1-й ступени компримирования [1]. Вследствие локального переохлаждения природного газа в нижнем ряду труб складываются условия для образования гидратов, лед и гидраты образуются на внутренних стенках теплообменных труб и перекрывают их сечение. В результате некоторые трубы могут разрушиться.

Чтобы остановить процесс образования гидратов в описанной ситуации, приходится поддерживать довольно высокую среднюю температуру природного

газа, выходящего из аппаратов (до 18-20 градусов) . Из-за этого, во-первых, существенно сужается потенциал АВО, во-вторых, падает качество подготавливаемого газа. Самый «больной» вопрос -вопрос качества подготовки природного газа по температуре точки росы по влаге в ситуации уменьшающегося пластового давления.

Аппараты воздушного охлаждения применяются для того, чтобы была возможность добиться минимальной температуры природного газа, который отправляется на осушку. Данная температура должна быть не меньше температуры гидратообразования «сырого» природного газа внутри теплообменных труб, подвергающихся наибольшему охлаждению, в случае стационарного режима понижения температуры. В то же время эта температура при нестационарном охлаждении, при использовании предварительной осушки и подаче ингибиторов гидрато-образования в трубы нижнего ряда может быть ниже температуры гидратообразования. Приведение к оптимальным показателям температуры контакта «природный газ - диэтиленгликоль» в установках для осушки способно повлиять на уменьшение эксплуатационных затрат на подготовку газа, а также на повышение качества его подготовки. Таким образом, чем ниже температура природного газа, тем ниже издержки, тем ниже температура точки росы конечного продута, а значит, выше его качество. Кстати, ОАО «Газпром» каждый год выплачивает солидные суммы заказчикам за поставку газа недостаточного уровня качества [2].

Основным условием образования гидратов выступает наличие в природном газе конденсата [3]. Содержание влаги в составе газа вычисляется, исходя из соотношения массового количества воды во влажном газе и сухом газе. Точка росы - та температура, при которой

осуществляется конденсация паров воды в составе воздуха или природного газа. При превышении показателя точки росы внутри газопровода складываются условия для образования гидратов.

В настоящее время опубликовано множество материалов, в которых рассматривается процесс формирования гидратов при течении природного газа [4, 5]. По большей части, в данных публикациях представлена одномерная схема течения природного газа. При этом в реально существующих условиях характеристики природного газа - влажность, температура - изменяются в зависимости от сечения канала. При транспортировке в условиях низкой

температуры окружающего воздуха вероятно появление гидратов на стенке трубы, где оседают конденсированные частицы. В связи с этим фактом вполне обоснованно перейти к рассмотрению многомерной структуры течения влажного природного газа, которая влияет на процесс образования на стенках гидратов.

Ознакомимся с уравнениями движения вязкого газа, подчиняющимися принципу Навье-Стокса. Допустим, диспергированные в газе гидраты и содержащиеся в нем пары влаги равновесны с газом в плане температуры и скорости. Возьмем осесиммет-ричное составление стационарного уравнения течения.

(УР" )х +(УР) у = О,

(УРи )х +(yp"v)y = -УРх +(УМих )х +(УМ"У )у + У (Мх"х + —yvx ) , (yPv )х +(УРvv) У = -УРу + (УМух )х + (y—vy )у + У \[Мхиу + —yvy '

(У"Т )х +(V) у =1 У —Тх\+\у —Т}

(y"w)x + (yvw) y = \у j (y"g )х +(yvg) У =

+ \ У-^Wy | + Jw

(1)

( \ М

У-%х

{ \ М

У-gy

V ^ g

+J„

(yuK )х +(yvK) = \у— K

+ \ УМKy | + yp(B-е),

(Уие)х + (yve)у =\у — ех | +\у~еу| +Ре

cfi -

K

Здесь и, V - это составляющие вектора скорости по осям х, у; р - плотность природного газа; ¡1 - коэффициент динамической вязкости; р - давление; "И>, g - уровень влаги и гидратов в потоке; Т - температура природного газа; Я - газовая

Входные изначальные характеристики потока в трубе при х=0 определены:

=g И2 ),

О

ОТ-^0 О

, Т , w

О

g0 = О, K0,

О

используя

постоянная смеси продуктов сгорания;

числа Прандтля и Шмидта. Вычисляем р,

уравнение состояния р = р(КСТ^) .

При решении системы (1) необходимо учитывать уравнения переноса кинетической энергии К и скорости диссипации £ . Вязкость ¡1 - это сумма

¡ = ¡+1 , при этом ¡т , ц - коэффициенты молекулярной вязкости и турбулентной вязкости, В, с1, с2, си - коэффициенты, установленные в [6],

¡Т = смрК7£ ■

Массовая скорость, с которой влага переходит в гидраты, а также скорость их образования - оба показателя задаются источниковыми членами ,Jg

. Функциональная зависимость появления гидратов от абсолютного давления и температуры газов с раной относительной плотностью приведена в источнике [4]. В соответствии с этими данными, в случае присутствия в составе газа свободной воды, а также при его температуре больше температуры фазового перехода Т^ , но меньше температуры точки росы Т уровень образования гидратов

увеличивается вместе с возрастанием давления и уменьшением температуры природного газа. Массовая скорость образования гидратов прямо пропорциональна разности температуры природного газа и температуры в начале образования гидратов Т :

ренней поверхности трубы при у =Я : условия прилипания для температуры

На внут-для и, v, K ,е

X

^Т» =«0(То - Т(хЛ) ; % = О, J =,

При m < 0 гидраты образуются на внутренней

поверхности трубы. На конце трубы при х=L определены условия равенства нулю вторых производных для всех переменных.

Систему уравнений (1) удалось решить, применив метод Патанкара SIMPLE [7]. По данному ме-

n + 1 . л

, v на n +1

тоду,

величины

итерации выра-

жаются через промежуточные значения и , V , выведенные в соответствии со значениями давления

на n -й итерации:

И+1

Sp-,), V

,n+1 J

+A (SPi, / -SPi, /-1)

IJ flj

поправка к давлению и - разностные коэффициенты,

Jw =

- A.w-

tg - t t - tf

' Jg=

о | t < t,t <t,t > tf

Aw-

Tg - T ' s

' T - T

(2)

о | t < t,t < tt > t

+ А (8ри-

Здесь 8р -

рп+1 = рп + 8р , Аи, А

описанные в [8].

На рис. 1 мы можем увидеть распределение гидратов в составе газа по длине и сечению трубы. При проведении вычислений учитывался конкретный отрезок трубы при входном давлении в 50 атмосфер. Рисунок 1 демонстрирует, что по мере возрастания расстояния площадь отложения гидратов увеличивается и постепенно занимает все поперечное сечение трубы. На рисунке 2 показано, как по мере изменения уровня образования гидратов снижается и влажность природного газа.

На рисунке 3 показаны зависимости g(х), ^(х)

при изучении одномерного случая. Кривая 1 демонстрирует осредненную двумерную зависимость

0

и

n

Рисунок 1 - Расчетное содержание гидратов Рисунок 2 - Количественные данные

влагосодержания в трубе

g (x ) =

2 J g (X У) ydy

R

тогда как кривая 2 - одномер-

ную зависимость g(х) . Две другие кривые, 3 и 4,

демонстрируют двумерную и одномерную зависимости содержания воды по длине трубы.

О 200 400 600 В00 1000

Рисунок 3 - Кривые осредненных значений, демонстрирующие зависимость наличия гидратов и влаги от координат сечения трубы

Сравнение результатов, полученных при двумерном и одномерном вычислениях, демонстрирует, что факт гидратообразования можно установить раньше при использовании двумерной картины изучения эффектов. На врезке на рисунке 3 представлены кривые на началвном отрезке трубы.

О 200

Рисунок 4 - Кривая разности вычислений отклонения результатов одномерного и двумерного расчетов содержания гидратов

Кривая, демонстрирующая разность вычислений отклонения результатов одномерного и двумерного расчетов содержания гидратов, представлена на рисунке 4. Судя по данному рисунку, значительное отклонение величины образования гидратов наблюдается на переходном участке интенсивного гид-ратообразования.

Разница в содержании влаги в разных сечениях трубы при пониженном уровне влажности и ТТР, равной 6°С, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Изменение содержания влаги в различных сечениях трубы при х = 400, 500, 600, 700, 900

Анализ полученных результатов:

1. Разное содержание гидратов в участках трубы с разным радиусом можно объяснить выражениями (2) и конвективно-диффузионным переносом влаги в сыром природном газе.

2. Разная концентрация гидратов в разных участках трубы оказывает значительное влияние на общую картину наслоения гидратов на поверхности трубы.

3. Гидраты, по большей части, откладываются близко от стенки.

4. Из-за высокого содержания гидратов в природном газе и небольшой скорости его движения в ламинарном подслое гидраты налипают на стенки.

5. После рассмотрения расчетов осесимметрич-ного течения газа можно прийти к выводу, что при двумерном вычислении есть возможность с большей точностью определить местоположение образования гидратов, используя формулы (1) и (3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Гухман Л.М. Подготовка газа северных газовых месторождений к дальнему транспорту. - Л.: Недра, 1980. - 161 с.

2. Шайхутдинов А.З. «Направление развития системы обеспечения качества газа, поставляемого потребителям, в том числе на экспорт». // НТС РАО «Газпром» «О ходе работ по обеспечению качества добываемого, транспортируемого и поставляемого потребителям, в том числе на экспорт, природного газа». ВНИИГАЗ, февраль 1998 г. - М.: ИРЦ Газпром, 1998, стр. 3-24.

0

3. Винокур А.Е., Халиф А.Л., Гуревский Е.Н. Подготовка к транспорту газа с малым конденсатным фактором // Подготовка и переработка газового конденсата: ОИ. -М., 1982. -Вып. 8-46 с.

4. Билюшов В.М. Математическая модель образования гидратов при течении влажного газа в трубах. Инженерно-физический журнал, 1984, №1, с.57-64

5. Бондарев Э.А. и др. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа. Новосибирск: Наука, 1988. -272 с.

6. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч.2.-М.:Наука,1987.- 360 с.

7. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости.- М.: Энергоиздат, 1984. 150с.

8. Бендерский Б.Я., Тененев В.А.Экспериментально-численное исследование течений в осесимметрич-ных каналах сложной формы с вдувом Изв.РАН МЖГ, №2, 2001.с.24-2 8.

665.723, 621.593 Краснов А.Н.

ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Уфа, Россия

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБАХ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

В статье описана модель течения газа, исследованы траектории движения газа и поле давления в различных системах теплооб-менных труб аппаратов воздушного охлаждения. Предложены пути предотвращения гидратообразования в области высокой скорости течения газа.

Ключевые слова

Аппараты воздушного охлаждения, АВО, гидраты, гидратообразование, охлаждение газа, моделирование течения газа.

Теплообменные трубы, выстроенные в 6 вертикальных рядов в каждой секции аппаратов воздушного охлаждения (АВО), соединяются при помощи двух камер - сборной и распределительной, их можно расценивать как своего рода коллекторы для отбора и подачи природного газа при снижении его температуры. В работе [1] представлено несколько схем (рисунок 1) присоединения коллекторов к потоку.

Тип смены давления в выходном (Ъ) и входном (и) коллекторах, представленный на рисунке 1, основан на одномерных предположениях об особенностях течения. Рассмотрим свойства двумерного характера течения, предположив для примера, что ряд труб заменен плоской трубой, которая эквивалентна в плане расхода природного газа.

Изучаются уравнения, которые описывают перемещение вязкого теплопроводного природного газа, но не учитывают влияние сжимаемости. Эти стационарные уравнения фиксируются в двумерной постановке:

(р X + (р), = О,

[рии )х +(риу) у =-рх +(мих )х + (лиу ) + (Лхих + ЛуУх ) ,

(puv)x +(pw) ^ = - Py + (/Vx )x + [ßVy ^ + /uy + Lyvy ) !

(uT )x +(vT) y ={^TX 1 + [/Ту

(1)

(uK)x + (vK) y = |/ Kxl+l-f Kyl +p(B— s)

/ l | / l CtB - C2 S

(us)x +(vs) y =\JTSx l +|Lsy l +PS C

K

где р - плотность природного газа; р - давление; и, V - составляющие вектора скорости на осях к, у; ¡1 - коэффициент динамической вязкости; Т -

температура природного газа; <тт , <тк , <7 -

числа Прандтля; Яс

газовая постоянная. Пока-p выводится из уравнения состояния

p = pI (RcT ) •

затель

k р

iL

U «Q

i

iL р

U

U

Q

L

б)

L в)

Ь а)

Рисунок 1 - Типы коллекторных схем «П» (а), (б) и «Н» (в)

номер ответвления между коллекторами, и - распределительный коллектор и изменение статического давления по длине коллектора, Ъ - собирающий коллектор и изменение статического давления по длине коллектора

1...П

Уравнения движения принимаются во внимание вместе с уравнениями переноса кинетической энергии К и скорости диссипации в . Коэффициент вязкости Л вычисляется по формуле ¡1= ¡лт+¡лт , в

которой /лт , турбулентной

Lt

коэффициенты молекулярной и

вязкости,

енты, выведенные в [2]

B Cl= C2'C/ K2

lt = c/p—

коэффици-

На входной границе коллектора при х = 0 определены начальные характеристики потока

и0 = Q|яЯ2, V0 = о, г0, Кс , в . На стенках трубопровода для и, V, К, в - условия прилипания, для тем-

дГ ( х, Я )

ду "

пературы

X-

) (T — T) • На выходе опреде-

L

1

n

n