Особенности проектирования и эксплуатации газоперерабатывающих установок и заводов

Основное назначение ГПЗ — разделение газовых, газожидкост­ных и жидких смесей, получаемых при добыче природных газов и нефтей. Под термином «разделение» в данном случае подра­зумевается как выделение из них отдельных углеводородных фракций, так и очистка их от сернистых соединений. Эти про­цессы осуществляют на газоперерабатывающих установках (ГПУ).

ГПУ включают в себя отдельные блоки, где производятся те или иные процессы. В целом ГПУ имеют завершенный тех­нологический цикл по тому или иному процессу. Материальны­ми потоками ГПУ могут быть как товарные продукты, так и сырье других газоперерабатывающих установок и заводов.

Основными процессами ГПЗ и ГПУ являются процессы се­парации, адсорбции, абсорбции и хемосорбции.

На установках обработки природных и нефтяных газов в ряде случаев в одном цикле объединены два или более про­цессов. Так, при очистке газов от кислых компонентов водны­ми растворами аминов извлечение H₂S и СО₂ происходит бла­годаря химической реакции между компонентами газа и по­глотителем и за счет растворимости тех же компонентов в по­глотителе (поскольку очистка газа производится в основном за счет химической реакции, такие процессы называются хемосорбционными).

Процессы переработки газа делятся на две группы: вспо­могательные и основные. К вспомогательным относятся процес­сы очистки газов от механических примесей и извлечение из них влаги, а к основным — выделение из сырья кислых компо­нентов и отдельных углеводородных фракций.

Газоперерабатывающая подотрасль по сравнению с нефте­химической и химической отраслями промышленности имеет ряд специфических особенностей: в газопереработке практиче­ски беспрерывно происходит изменение состава исходного сырья, а в ряде случаев также давления и температуры.

На основании обобщения большего опыта эксплуатации ГПУ и ГПЗ можно выделить следующие специфические особен­ности предприятий, перерабатывающих природные и нефтяные газы. Уменьшение значения пластового давления приводит к сни­жению давления сырьевого газа и нестабильного конденсата на входе на перерабатывающие установки. Поэтому для обес­печения нормальной работы перерабатывающих установок по­требуется ввод дополнительных мощностей (дожимных ком­прессоров, насосов, сепарационного оборудования и т. д.).

При изменении состава сырья в зависимости от пластового давления, как правило, происходит уменьшение концентрации в добываемом.тазе тяжелых фракций природных газоконденсатных смесей. При этом снижается как конденсатный фактор (содержание углеводородов C₅H₁₂⁺ в газе, г/м³), так и количество нестабильного конденсата, В настоящее время много установок по переработке конденсата по схеме производства мотор­ного топлива. При этом надо иметь в виду, что снижение плас­тового давления одновременно приводит также к изменению фракционного состава конденсата. С падением пластового давления с 38 до 8 МПа содержание бензиновых фракций в составе конденсата увеличилось в два раза, а содержание фракции, соответствующей дизельному топ­ливу, уменьшилось в 1,8 раза. Отсюда следует, что проектиро­вание установок переработки газового конденсата должно быть осуществлено с учетом этих факторов. Это в первую очередь касается блока получения бензина. В противном случае при сохранении производительности установки по .сырью этот -блок не обеспечит ее нормальную работу. Непостоянство режима эксплуатации установок, связанное «с изменением состава сырья, приводит как к изменению соста­ва и качества материальных потоков, так и к изменению давле­ния и температуры в отдельных аппаратах. К примеру, вследст­вие облегчения конденсата имеет место снижение температуры низа дебутанизаторов установок стабилизации конденсата (УСК). В ряде случаев возможно также уменьшение количества газов дегазации (из-за изменения растворимости легких угле­водородов в жидкой фазе), что приводит к снижению надеж­ности работы компрессоров, предназначенных для дожатия газов дегазации, уменьшению выхода продукции на установках их переработки и т. д.

Ряд качественных показателей продукции зависит от клима­тических зон районов добычи и транспортирования и времени года. Поэтому близкие по составу газы и нестабильные конден­саты перерабатывают как по разным, так и однотипным тех­нологическим процессам на разных режимах по давлению и температуре.

Необходимость высокого давления и низкой температуры в одном технологическом цикле (например, абсорбции, низкотем­пературной конденсации) и, напротив, низкого давления и вы­сокой температуры в другом технологическом цикле (напри­мер, десорбции) для одной и той же установки обусловливает наличие в схемах установок большого теплообменного оборудо­вания.

Процессы разделения требуют незначительного расхода хи­мических реагентов и повышенного расхода тепла.

Одни и те же компоненты распределяются во многих видах продукции. К примеру, такие компоненты, как пропан, бутаны, пентан, гексаны и т. д., могут быть в составе товарного газа, широкой фракции углеводородов, сжиженных газов разных ма­рок и стабильного конденсата. Это, а также двухфазное состоя­ние отдельных потоков вызывает затруднение в составлении материального баланса газоперерабатывающих установок и за­водов.

В начальный период эксплуатации месторождения характе­ризуются благоприятными условиями. В это время, /как прави­ло, имеется возможность охлаждения газа путем дросселиро­вания его избыточного давления. Кроме того, содержание тя­желых углеводородов (С₆₊₎ в газе максимально (за редким исключением). Таким образом, выделение из газов целевых компонентов возможно при минимальных эксплуатационных расходах на промысловых и заводских установках.

Наличие объективных факторов, снижающих технико-эко­номические показатели газоперерабатывающих установок на поздней стадии эксплуатации месторождения, обеспечивающего сырьем ГПЗ, к каким можно отнести в первую очередь сниже­ние давления сырья и удельного содержания тяжелых углево­дородов в газе, обусловливающих строительство и ввод в эксплуатацию дожимных компрессоров и холодильных установок, резко увеличивает эксплуатационные расходы на ГПЗ.

Наряду с этим установки, где в качестве сырья используют­ся тяжелые углеводороды, выделяемые из исходного газа, ра­ботают значительно ниже проектной мощности.

В результате совокупности воздействия указанных факторов в начальный период эксплуатации ГПУ и ГПЗ отмечается са­мая высокая производительность труда и низкая себестоимость продукции. Со временем часто имеет место снижение технико-экономических показателей. Вышеперечисленные факторы прак­тически относятся ко всем ГПУ и ГПЗ. На каждом отдельном объекте в той или иной степени воз­никают и следующие трудности:

-коррозия оборудования и коммуникаций из-за наличия в продуктах сероводорода, диоксида углерода и ряда других при­месей;

-содержание в продуктах минеральных солей и механиче­ских примесей, которые откладываются на поверхности труб и оборудования;

-отложение твердых парафиновых углеводородов на по­верхностях коммуникаций и оборудования;

-низкая эффективность работы оборудования, в первую оче­редь сепарационного;

-появление сероводорода в составе газа на поздней стадии разработки месторождения. Указанные выше особенности эксплуатации ГПУ и ГПЗ обусловливают необходимость большого количества исходных данных для их проектирования. В отличие от химической, неф­техимической или микробиологической промышленности, здесь недостаточно знать состав сырьевых потоков только в год пус­ка установок. Эти данные необходимы на весь период их экс­плуатации.

Кроме того, необходимо иметь информацию также о плане ввода в эксплуатацию других нефтяных, газоконденсатных и газовых месторождений и о составе их продукции и схемах их обработки.

Выбор схемы и технологии переработки газа является слож­нейшей задачей, требующей выполнения большого объема предпроектных проработок. Это связано с тем, что для получения заданной продукции из известного сырья можно использовать разные технологические процессы, которые, в свою очередь, могут иметь множество вариантов схемного и аппаратурного оформления. К примеру, извлечение из газа пропан-бутановой фракции можно произвести с применением процессов абсорб­ции и низкотемпературной концентрации (НТК).

В свою очередь, процесс НТК может осуществляться с ис­пользованием аммиачного, пропанового, этанового или других хладоагентов, а также за счет изоэнтальпийного или изоэнтропийного расширения газа. Каждый из этих вариантов может быть использован при различных температурах и давлениях и на различном оборудовании. В зависимости от указанных па­раметров будут отличаться также значения материальных и тепловых потоков, схемы утилизации и низконапорных газов, капитальные вложения и эксплуатационные расходы и т. д. То же касается применения процесса абсорбции. В зависимости от способа проведения (одно- или двухступенчатая, с предвари­тельным насыщением, с рециркуляцией потоков и т. д.) и тем­пературы и давления процесса для одного и того же состава газа можно составить более десяти вариантов, которые будут отличаться не только аппаратурным оформлением, но и соста­вом и количеством отдельных потоков.

Следовательно, выбор схемы и процесса переработки при­родных газов является не только техническим, но и экономиче­ским вопросом, поэтому глубина переработки газа -определяется на основании технико-экономических исследований. Состав­ной частью этих исследований является технологический расчет установок, состоящий из трех этапов.

На первом этапе определяются возможные варианты техно­логических схем и процессов для газов указанного состава. Учитывая, что, как правило, эксплуатационные расходы преоб­ладают над капитальными вложениями в себестоимости про­дукции, данные об аппаратурном оформлении в расчет входят в общем виде. С учетом конкретных объективных данных (на­личие сырья, реагентов и оборудования, потребность в продук­ции, перспективы расширения или свертывания производства и т. д.) на основе первого этапа расчетов выбираются основные варианты (желательно не более трех) схем переработки таза.

На втором этапе составляют полную технологическую схему установки по основным вариантам и производят ее подробный расчет, при этом определяются: количество и состав всех основ­ных потоков, их давление и температура, число теоретических -тарелок колонного оборудования, режим работы рекуператив­ных теплообменников, холодильников, подогревателей, испари­телей, печей и т. д. Кроме того, на этом этапе оценивают по­тери всех реагентов, вид хладоагента и теплоносителя, соответ­ствие качества продукции установок действующим техническим условиям и стандартам и т. д.

Третий этап расчетов включает в себя детальный расчет массо- и теплообменной аппаратуры: определяют габаритные размеры и массу аппаратов, тип тарелок и размеры их основ­ных элементов.

После выполнения указанных расчетов производят общую оценку рассматриваемых вариантов переработки газа и выби­рают окончательную схему установки, после чего производится ее проектирование.

Указанные выше особенности ГПУ и ГПЗ, в свою очередь, выдвигают ряд требований к их проектированию. Основными из этих требований являются:

-большой диапазон устойчивой работы (отношение макси­мально и минимально допустимых нагрузок по жидкости и га­зу) оборудования;

-получение кондиционной товарной продукции при изменении параметров сырья в широком интервале;

-возможность перевода отдельных установок на режим произ­водства продукции другой марки вместо проектного;

-возможность использования оборудования в широком, интер­вале давления и температуры. Это важно как ввиду влияния температуры окружающей среды на параметры процесса, так и из-за необходимости компенсации влияния изменения одного параметра (Р или Т) на показатели процесса, за счет повыше­ния или понижения значения другого параметра.