Подготовка попутного нефтяного газа и природного газа из месторождений с падающим пластовым давлением к транспортировке по газотранспортным сетям является актуальной технологической задачей.
В рассматриваемых случаях применение традиционных методов подготовки газа неэффективно, что требует поиска альтернативных методов, позволяющих достичь предъявляемых ОАО «Газпром» требований к параметрам транспортируемого газа. Научно-производственной компанией «Грасис» разработана газоразделительная мембрана, несколько типов мембранных модулей и установок, специально предназначенных для решения задач подготовки углеводородных газов для дальнейшей доставки потребителям по трубопроводному транспорту.
Научно-производственная компания «Грасис» ведущим в России и одним из крупнейших в Европе разработчиком и производителем промышленных газоразделительных установок на основе некриогенных методов. В последние годы компания активно занимается разработкой новых мембран для разделения углеводородных газов.
Разработанная и производимая «Грасис» половолоконная мембрана CarboPEEK отличается высокими разделительными характеристиками по таким парам газов, как H2O/CH4, H2S/CH4, C4+/CH4, СО2/CH4; устойчива к воздействию любых компонентов попутного нефтяного газа (ПНГ), включая углеводороды С6–С10 и сероводород; не подвержена пластификации. Совокупность присущих ей свойств делает ее уникальной и применимой для подготовки любых углеводородных газов. На основе мембраны CarboPEEK разработаны мембранные модули и технические решения по подготовке природного и попутного нефтяного газа к трубопроводному транспорту.
Мембранная технология подготовки газа к трубопроводному транспорту не конкурирует с традиционными методами подготовки больших объемов газа, в первую очередь с низкотемпературной сепарацией (НТС). Предлагается ее применение именно в тех случаях, когда использование традиционных подходов технологически затруднено или экономически нецелесообразно.
Наиболее важным преимуществом мембранной технологии подготовки углеводородных газов является принципиальная возможность решения в одном технологическом аппарате (мембранном модуле) всех задач подготовки газа (осушка по воде и углеводородам, снижение содержания сероводорода, меркаптанов, диоксида углерода). При этом все нежелательные примеси концентрируются в зоне низкого давления (пермеате), а подготовленный товарный газ выходит из установки практически без потери давления. Схема распределения потоков в мембранном модуле приведена на рис. 1.
Рисунок 1. Схема распределения газовых потоков в мембранном модуле
Задачи подготовки газа для закачки в газотранспортные системы, решаемые с помощью мембранной технологии Грасис, делятся на две группы: задачи, где требуется значительная корректировка температуры точки росы (ТТР) по воде и углеводородам и/или доведение до требуемых значений остаточного содержания сернистых соединений, и задачи, где преимущественно требуется осушка газа по воде и, возможно, незначительная (на 3–8 °С) корректировка ТТР по углеводородам. Для каждой из указанных задач разработан свой тип мембранных модулей, максимально отвечающий их специфике. Задачи первого типа предполагают достаточно значительнуюдолю газа, отбираемую в пермеатный поток (до 20–35 %).
Мембранные модули для таких решений характеризуются максимально возможной плотностью упаковки волокна, что позволяет минимизировать их число. Сами процессы подготовки газа могут реализовываться по схемам с рециклами, что позволяет увеличить выход подготовленного газа за счет его повторной подготовки. Именно по такой схеме была реализована первая промышленная установка компании «Грасис» (рис. 2), обеспечивающая подготовку до требований ОСТ 51.40–93 (СТО Газпром 089–2010) сероводородсодержащего газа, и запущенная в эксплуатацию в декабре 2010 г. на площадке Новоукраинской КС ООО «РН-Краснодарнефтегаз». Внутренний вид станции приведен на рис. 3.
Рисунок 2. Двухступенчатая схема подготовки газа с рециклом
Рисунок 3. Мембранная установка подготовки попутного нефтяного газа.
Пермеат с первой ступени предназначен для использования в качестве топлива для приводов компрессоров. Пермеат со второй ступени объединяется с входным потоком и идет на повторную подготовку. Такое решение позволило обеспечить подготовку до требований ОСТ 51.40–93 до 85 % сырьевого газа при содержании в нем до 250 мг/м3 сероводорода. Для решения второго типа задач (преимущественная осушка газа) разработаны мембранные модули низкой плотности упаковки с дополнительным конструктивным элементом для обеспечения максимального удаления воды при минимальных коэффициентах отбора. Эти модули спроектированы таким образом, что позволяют добиться снижения ТТР по воде на 40–50 °С относительно исходного значения при отборе в пермеатный поток всего 6–12 % поступающего на подготовку газа. Дальнейшее уменьшение коэффициента отбора для практической реализации в реальных процессах невозможно, так как концентрация воды в пермеатном потоке становится столь высокой, что возможна ее конденсация, а это недопустимо. Оба выходящих из мембранного блока потока всегда газовые.
Для повышения выхода подготовленного газа разработаны схемы с рециклом. Одна из возможных схем приведена на рис. 4. Такая схема позволяет провести подготовку 100 % поступающего на установку газа и реализуема при условии, если подготавливаемый газ не соответствует требованиям только по содержанию влаги (ТТР по воде). В случаях, когда необходимо также незначительное снижение ТТР по углеводородам и/ или снижение содержания СО2, часть пермеатного потока должна выводиться из рецикла для избегания накопления в нем мало- или неконденсирующихся компонентов (СО2, пропан). В подавляющем большинстве случаев пермеатный поток может быть использован непосредственно на площадке в качестве топливного газа для приводов компрессоров и на другие собственные нужды. При этом выход подготовленного газа может составлять 95–98 %, а сброса газа на факел не предусматривается в принципе. Мембранные установки для подготовки газа к транспортировке по газотранспортной системе (ГТС) могут работать при давлении вплоть до 6,3 МПа. В стадии разработки находятся модули для работы под давлением до 8,5 МПа.
Возможная производительность установок определяется поставленной задачей и конкретными параметрами процесса (в первую очередь давлением). При проведении подготовки при среднем давлении около 4,0 МПа производительность единичной установки может достигать 500–800 млн м3/ год по подготавливаемому газу.
Рисунок 4. Одноступенчатая схема подготовки газа
Мембранные установки «Грасис» поставляются в блочно-модульном исполнении максимальной заводской готовности. Установка может быть полностью смонтирована на площадке и готова к работе в течении 1–3 недель. Мембранные установки исключительно просты в обслуживании, надежны (в установке отсутствуют движущиеся элементы), не требуют постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.
Мембранные установки являются модульными – состоят из ряда параллельно подключенных единичных мембранных модулей, благодаря чему может быть обеспечена любая производительность. Мембранные установки подготовки газа компании «Грасис» имеют всю необходимую разрешительную документацию для работы на объектах нефтяной и газовой промышленности.
На сегодня компания «Грасис» готова к разработке и поставке мембранных систем по подготовке природного и попутного газов до требований, предъявляемых к газам, перекачиваемым по ГТС ОАО «Газпром». При этом выход подготовленного газа (при отсутствии в нем сероводорода) может составлять 97–100 % от объема сырьевого газа.
