Повышение эффективности работы жидкостно-газового эжектора

Полный текст

Введение [‡‡‡] Струйная техника (в том числе жидкостно-газовые эжекторы) используется в добыче нефти и газа, сборе и подготовке нефти, газа и воды, извлечении метана из метаноугольных пластов, нефтепереработке и других отраслях промышленности. Вместе с тем эффективность струйных аппаратов и способов их эксплуатации остается недостаточно высокой. Известен, например, способ работы жидкостно-газового эжектора, включающий формирование струи активной жидкостной среды путем подачи рабочей жидкости под давлением в сопло для подсасывания пассивной газообразной среды и дальнейшего смешения потоков жидкости и газа, причем в поток газа до смешения его с потоком жидкости подают дополнительный поток жидкости под давлением, равным давлению подсасываемого газа, при этом расход дополнительного потока жидкости составляет 0,01-1,15 от расхода подсасываемого газа [1]. Этот способ имеет, как показали последующие экспериментальные исследования, ограниченную область применения и низкие функциональные возможности. Другой способ работы жидкостно-газового эжектора заключается в откачке газа нагнетаемой в сопло эжектора рабочей жидкостью, в качестве которой используется углеводородосодержащая жидкость - капролактам, при этом содержание капролактама в рабочей жидкости составляет не менее 75 % по массе, а содержание примесей - остальное [2]. Данный способ имеет низкую эффективность, а также ограниченную область применения из-за высокой цены и токсичности капролактама. Еще один способ работы жидкостно-газового эжектора состоит в откачке газа нагнетаемой в сопло эжектора рабочей жидкостью, в качестве которой используется углеводородосодержащая жидкость, содержащая смесь бензола, толуола, ксилолов и жидких углеводородов от С6 до С10 при следующем соотношении компонентов (масс. %): бензол 20-40; толуол 10-25; ксилолы 2-10; примеси 1-9; смесь жидких углеводородов от С6 до С10 - остальное [3]. Как и предыдущие, способ имеет низкую эффективность, область применения и ограничена из-за высокой цены используемой углеводородосодержащей жидкости, являющейся к тому же ядовитым и канцерогенным веществом. Низко эффективен и ограничен в области применения по причине высокой цены, токсичности и канцерогенности используемой углеводородосодержащей жидкости способ работы жидкостно-газового эжектора, включающий откачку газа нагнетаемой в сопло эжектора рабочей жидкостью, в качестве которой используется углеводородосодержащая жидкость с алкилбензолом, содержание которого в рабочей жидкости составляет не менее 75 % по массе, а содержание примесей - остальное [4]. Известный способ имеет Наконец, малоэффективным является способ работы жидкостно-газового эжектора, включающий откачку газа нагнетаемой в сопло эжектора рабочей жидкостью, в качестве которой используется вода, вследствие недостаточно интенсивного перемешивания воды и откачиваемого газа. Наиболее перспективным для дальнейшего улучшения является способ работы жидкостно-газового эжектора, включающий нагнетание рабочей жидкости силовым насосом в сопло эжектора, откачку газа эжектором, создание, диспергирование и повышение давления газожидкостной смеси эжектором с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов солей [6], хотя и он имеет низкую эффективность по причине недостаточно интенсивного энергообмена между рабочей жидкостью и эжектируемым газом. 1. Цель и методы работы Цель работы - разработка методов интенсификации энергообмена между потоками рабочей жидкости и откачиваемого газа и, соответственно, повышение эффективности работы жидкостно-газового эжектора Указанная проблема решается тем, что в способе работы жидкостно-газового эжектора, включающем нагнетание рабочей жидкости силовым насосом в сопло эжектора, откачку газа эжектором, создание, диспергирование и повышение давления газожидкостной смеси эжектором с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов солей, значения концентрации и состава солей в рабочей жидкости поддерживают в пределах области рациональных концентраций и состава солей, в которой достигаются повышенные величины коэффициента полезного действия (КПД) эжектора. Кроме того, в слабоминерализованные водные растворы добавляют соли, а сильноминерализованные водные растворы разбавляют пресными водами. Также в качестве рабочей жидкости можно использовать являющиеся водными растворами солей пластовые и/или попутно добываемые воды нефтяных, газовых, газоконденсатных и метаноугольных месторождений, если состав и концентрация солей в них находятся в пределах области рациональных концентраций и состава солей, в которой обеспечивается повышение КПД эжектора. В одном из вариантов способа в поток рабочей жидкости и/или газа добавляют пенообразующие поверхностно-активные вещества (ПАВ). В другом варианте - границы области рациональных концентраций и состава солей предварительно определяют путем проведения лабораторных стендовых исследований характеристик жидкостно-газовых эжекторов. Допустимо границы области рациональных концентраций и состава солей определять, исходя из условия, что допустимое снижение КПД эжектора в оптимальном режиме на границах области по сравнению с его максимальным значением составляет не более 5 %. В качестве еще одного варианта откачку газа проводят при давлении газа, превышающем атмосферное давление. 2. Результаты Достигаемые технические результаты заключаются в повышении эффективности жидкостно-газового эжектора путем обеспечения его работы в области рациональных концентраций и состава солей, в которой достигается интенсификация энергообмена между рабочей жидкостью и эжектируемым газом. Сущность метода поясняется рисунками: на рис. 1 представлена схема устройства для реализации метода, на рис. 2 - вариант устройства для реализации метода, на рис. 3 - стендовые характеристики жидкостно-газового эжектора при откачке газа, на рис. 4 - пример определения области рациональных концентраций по графику зависимости значений КПД жидкостно-газового эжектора в оптимальных режимах от концентрации соли. Рис. 1. Схема устройства для реализации метода [Figure 1. Scheme of the device for implementing the method] Устройство для реализации способа (рис. 1) содержит силовой насос (1), жидкостно-газовый эжектор (2), а также линию подачи рабочей жидкости - водных растворов солей (3), линию подачи газа (4) и линию закачки газожидкостной смеси (5). К линии подачи рабочей жидкости (3) присоединена линия подачи соли (6) с баком (7), задвижкой (8) и воронкой для засыпки соли (9), а также линия подачи пресной воды (10) с задвижкой (11) и линия подачи ПАВ (12) с задвижкой (13). В другом варианте выполнения устройства к линии подачи газа (4) подключен компрессор (14) (рис. 2). Рис. 2. Вариант устройства для реализации метода [Figure 2. A variant of the device for implementing the method] Рис. 3. Характеристики жидкостно-газового эжектора [Figure 3. Characteristics of a liquid-gas ejector] Способ работы жидкостно-газового эжектора осуществляют следующим образом. Нагнетают рабочую жидкость силовым насосом (1) из линии подачи (3) в сопло жидкостно-газового эжектора (2), которым откачивают газ из газовой линии (4). Эжектором (2) создают, диспергируют и повышают давление газожидкостной смеси, направляя ее в линию закачки (5). Значения концентраций и состава солей в воде в пределах области рациональных концентраций и состава солей обеспечивают так. Для слабоминерализованных вод это осуществляют путем добавления солей в воду. При этом через воронку (9) насыпают необходимое количество соли требуемого состава в бак (7). Там соль растворяется в воде и затем по линии (6) с открытой задвижкой (8) поступает в линию подачи воды (3) и далее на вход силового насоса (1). Задвижки (11) и (13) при этом закрыты. Для сильноминерализованных вод это производят путем их разбавления пресными водами. Пресную воду подают по линии (10) с открытой задвижкой (11). Задвижки (10) и (12) при этом закрыты. Используют также направляемые по линии (3) пластовые и/или попутно добываемые воды нефтяных, газовых, газоконденсатных и метаноугольных месторождений, если состав и концентрация солей в пластовых и/или попутно добываемых водах находятся в пределах области рациональных концентраций и состава солей, в которой обеспечивается повышение КПД эжектора. Задвижки (8), (11) и (13) при этом закрыты. В ряде случаев эксплуатации в поток воды и/или газа дополнительно добавляют пенообразующие ПАВ, например в поток рабочей жидкости по линии (1) с открытой задвижкой (13). Задвижки (8) и (11) при этом закрыты. Рис. 4. Пример определения области рациональных концентраций по графику зависимости значений КПД жидкостно-газового эжектора в оптимальных режимах от концентрации соли [Figure 4. An example of determining the region of rational concentrations according to a graph of the dependence of the efficiency values of a liquid-gas ejector in optimal conditions on the salt concentration] Для дополнительного повышения КПД эжектора откачку газа проводят также при давлении газа, превышающем атмосферное давление. Давление газа на приеме жидкостно-газового эжектора (2) при этом увеличивают с помощью компрессора (14). В варианте способа границы области рациональных концентраций и состава солей предварительно определяют путем проведения лабораторных стендовых исследований характеристик жидкостно-газовых эжекторов. Лабораторные исследования проводят на специальных стендах, позволяющих получать напорно-энергетические характеристики струйных аппаратов [7; 8]. 3. Обсуждение Итак, в качестве рабочей жидкости используют водные растворы солей, меняя их концентрацию и состав в процессе экспериментов. По данным этих исследований строят напорно-энергетические характеристики жидкостно-газовых эжекторов и зависимости КПД жидкостно-газовых эжекторов от концентрации и состава солей в рабочей жидкости. На рис. 3 представлены в качестве примера полученные при лабораторных стендовых исследованиях зависимости относительного напора ΔРс/ΔРр и КПД η от коэффициента инжекции газа Uвх для эжектора с диаметром сопла dс = 3,6 мм, диаметром камеры смешения dкс = 5,4 мм при откачке воздуха из атмосферы струей воды с массовой концентрацией NaCl, составляющей 0,5 %, и струей воды с массовой концентрацией NaCl, составляющей 6,62%. Значения давления рабочей жидкости Рр перед соплом составляли 1,3-1,35 МПа, расхода рабочей жидкости Qр через сопло - 1,07-1,08 м3/ч. Наблюдается заметное улучшение характеристик жидкостно-газового эжектора при откачке газа струей более соленой воды по сравнению с эжектированием газа струей малосоленой воды. Это связано с улучшением энергообмена между струей рабочей жидкости и откачиваемым газом в области рациональных концентраций поваренной соли. На рис. 4 показано, как по данным лабораторных стендовых исследований определяют границы области рациональных концентраций соли. На график нанесены значения КПД эжектора в оптимальных режимах в зависимости от концентрации поваренной соли. Левую и правую границы рациональной области находят из условия, что допустимое снижение КПД эжектора на границах области по сравнению с его максимальным значением составляет не более 5 %. Для данных графика на рис. 4 левая граница области рациональных массовых концентраций соли составляет 6 %, правой - 8,8 %. Аналогичным методом определяют и границы областей рациональных составов солей. Практическое применение результатов исследований в первую очередь актуально для решения одной из важнейших проблем нефтяной промышленности, которой является нерациональное сжигание попутного нефтяного газа (ПНГ) на факелах. В мире сгорает около 150 млрд м3 ПНГ ежегодно. В 2017 г. в России сгорело в факелах 12,9 млрд м3, или 13,1 % от общей добычи ПНГ [9]. Вместе с тем утилизировать низконапорный газ можно с применением простых по конструкции и надежных систем, содержащих насосы и жидкостно-газовые эжекторы [10]. Помимо утилизации ПНГ в газопровод или нефтесборный коллектор [10; 11], перспективным вариантом использования попутного газа с помощью жидкостно-газовых эжекторов является водогазовое воздействие на пласт [12-14]. Данная задача имеет большое практическое значение и для рациональной эксплуатации нефтяных скважин, оборудованных установками погружных электроцентробежных насосов с эжекторами [15], при откачке газа из затрубного пространства в колонну насосно-компрессорных труб. Заключение Предложенная методология позволяет повысить эффективность работы жидкостно-газового эжектора по сравнению с известными техническими решениями. Это достигается за счет интенсификации энергообмена между рабочей жидкостью и эжектируемым газом с использованием в качестве рабочей жидкости водных растворов солей. Значения концентрации и состава солей в рабочей жидкости поддерживают в пределах области рациональных концентраций и состава солей, в которой достигаются повышенные величины КПД эжектора. В слабоминерализованные водные растворы добавляют соли, а сильноминерализованные водные растворы разбавляют пресными водами. В качестве рабочей жидкости используют являющиеся водными растворами солей пластовые и/или попутно добываемые воды нефтяных, газовых, газоконденсатных и метаноугольных месторождений, если состав и концентрация солей в пластовых и/или попутно добываемых водах находятся в пределах области рациональных концентраций и состава солей, в которой обеспечивается повышение КПД эжектора. В поток рабочей жидкости и/или газа добавляют пенообразующие ПАВ. Границы области рациональных концентраций и состава солей предварительно определяют путем проведения лабораторных стендовых исследований характеристик жидкостно-газовых эжекторов.

Об авторах

Александр Николаевич Дроздов

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: drozdov_an@mail.ru

профессор департамента недропользования и нефтегазового дела Инженерной академии РУДН, доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Яна Алексеевна Горбылева

Российский университет дружбы народов

Email: drozdov_an@mail.ru

аспирант, учебный мастер лаборатории горных машин департамента недропользования и нефтегазового дела Инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Евгения Ильинична Горелкина

Российский университет дружбы народов

Email: drozdov_an@mail.ru

аспирант, учебный мастер лаборатории горных машин департамента недропользования и нефтегазового дела Инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Николай Александрович Дроздов

ООО «Инновационные нефтегазовые решения»

Email: drozdov_an@mail.ru

генеральный директор ООО «Инновационные нефтегазовые решения», кандидат технических наук

Российская Федерация, 115682, Москва, ул. Шипиловская, д. 64, корп. 1

Список литературы