Giáo trình công nghệ dầu khí của trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
MỤC LỤC PHẦN HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ PHẦN GIẢN ĐỒ PHA VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ PHẦN LƯU GIỮ HYDROCACBON LỎNG PHẦN LƯNG NƯỚC TRONG KHÍ HYDROCACBON PHẦN GAS HYDRATE PHẦN DEHYDRATE-CHỐNG HYDRATE HOÁ PHẦN ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PHẦN VAN AN TOÀN PHẦN ĐO LƯU LƯNG PHẦN 10 LƯU LƯNG VÀ ĐƯỜNG ỐNG PHẦN 11 ĐƯỜNG ỐNG, MẶT BÍCH, ĐẦU NỐI… PHẦN 12 BÌNH TÁCH DẦU KHÍ PHẦN 13 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG GLYCOL PHẦN 14 LÀM KHÔ KHÍ BẰNG CHẤT HẤP PHỤ PHẦN 16 MÁY BƠM PHẦN 17 MÁY NÉN KHÍ PHẦN 18 TURBINE KHÍ PHẦN 19 EXPANDER PHẦN 20 HỆ THỐNG LÀM LẠNH Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page PHẦN HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ Mô hình tổng quát hệ thống công nghệ khai thác, thu gom, sử lý khí Phần lớn hệ thống sử lý dầu khí có thành phần chung hình 1.1 Chúng cấu tạo từ module có chức nhiệm vụ khác Hình 1.1: Hệ thống thu gom, xử lý dầu khí Module vỉa: − Bao gồm vỉa sản phẩm giếng khai thác Module tách dầu khí: - Dòng sản phẩm từ vỉa lên bao gồm chất lỏng, khí, nước, hạt rắn phải có bình tách để tách riêng dầu khí nước gọi bình tách cấp - Các cấp bình tách có nhiệm vụ ổn đònh thành phần dầu thô nhằm đạt yêu tàng trữ hay vận chuyển Module sử lý nước thải: Bao gồm thiết bò sử lý phần nước khai thác sản phẩm dầu khí từ vỉa tách qua bình tách trình nhằn thu hồi hydrocacbons, loại bỏ tạp chất rắn, hay chất rắn hoà tan CaCO3, NaCl Nhằm mục đích đạt yêu cầu chất lượng thải môi trường tái sử dụng Module sử lý khí vận chuyển khí: (giàn nén khí trung tâm) Xem hình 1.2 Nhiệm vụ nhằm loại trừ tạp chất (nước, tạp chất rắn, chất độc hại H2S, CO2, N2, O2 ) trước đưa đến module chế biến khí Để loại nước người ta dùng biện pháp như: hấp thụ thường dùng glycol, chất hấp phụ silica gen, alumina hay molecular sieve (zeolite), ngưng tụ nhiệt độ thấp,… Module chế biến khí: (nhà máy Dinh Cố) Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page Xem hình 1.2 Nhiện vụ phần bao gồm tách hỗn hợp khí tự nhiên thành thành phần riêng biệt (thông thường khí hóa lỏng) Ethane (C2), Propane (C3) , Butane (C4), natural gasoline (C5+) Hình 1.2: Hệ thống thu gom, xử lý, chế biến dầu khí Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page PHẦN GIẢN ĐỒ PHA VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA ĐƠN CHẤT Các thông số vật lý đơn chất hoàn toàn xác đònh theo bảng sau: Hình 2.1 Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page Hình 2.2 : Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page Hình 2.3: Bảng thông số vật lý Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page GIẢN ĐỒ PHA CỦA ĐƠN CHẤT Đối với chất riêng biệt tồn điểm tới hạn (C: critical point) tương ứng ta có áp suất tới hạn Pc nhiệt độ tới hạn Tc Hình 2.4: Giản đồ pha đơn chất C2H6 Khi nhiệt độ áp suất cao nhiệt độ điểm tới hạn đơn chất vùng “dense phase” vùng trạng thái pha, vật chất vùng có tính chất vật lý (thể tích riêng, khối lượng riêng, entanphy, độ nhớt… ) trung gian chất khí lỏng Như vùng ta thay đổi thông số công nghệ để đưa chất trạng thái hai pha được, điều có nghóa trình hoá lỏng phần hay toàn khí cấu tử phương pháp nén thực hạ nhiệt độ khí xuống nhiệt độ tới hạn Khi từ a xuống b (đẳng nhiệt, giảm áp) đơn chất chuyển từ lỏng sang khí, từ e qua d (đẳng áp, giảm nhiệt ) đơn chất chuyển pha từ khí sang lỏng GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỖN HP KHÍ NHIỀU CẤU TỬ Hình 2.5: Giản đồ pha hỗn hợp khí Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page Trong hỗn hợp hay dung dòch khí nhiều cấu tử , vùng tới hạn thường khoảng rộng thông số phụ thuộc vào thành phần khí Xét trạng thái hệ nhiều cấu tử giản đồ P,T hình 2.5, hình 2.6: Ta thấy có lưu ý: Điểm tới hạn C , hai pha trở thành pha Điểm B (cricondenbar) điểm tương ứng với áp suất lớn mà hỗn hợp có thề trạng thái hai pha Điểm T (cricondenthermal) điểm tương ứng với nhiệt độ lớn mà hỗn hợp tồn trạng thái hai pha Những giá trò cực đại áp suất nhiệt độ mà hỗn hợp nhiều cấu tử tồn trạng thái hai pha gọi nhiệt độ áp suất ngưng tụ tới hạn hỗn hợp Hình 2.6: Vò trí vài thông số giản đồ pha Vò trí tương hỗ điểm C, B, T giản đồ P,T phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp Trên giản đồ P,T phần đường bên trái C đường điểm sôi (bubble) phần đường bên phải đường điểm sương (dewpoint ) Trong trình thuận nén lên, giảm nhiệt độ chất lỏng ngưng tụ tăng lên Còn ngược lại nén lên hay giảm nhiệt mà lượng chất lỏng ngưng tụ giảm trình (ngưng tụ , bay hơi) ngược Trong công nghệ khí người ta hay dùng máy nén để nén khí tăng áp, expander để giảm áp, van giảm áp, trao đổi nhiệt để tăng giảm nhiệt, quạt giảm nhiệt…Khi đạt điều kiện thích hợp cấu tử khí bắt đầu ngưng tụ tất nhiên khí có nhiệt độ ngưng tụ cao ngưng tụ trước nhiên ta ý cấu tử khí có tính chất hoà tan hydrocacbon lỏng chắn vài cấu tử chưa đủ điều kiện hoá lỏng chúng hoà tan phần sang thể lỏng Mức độ ngưng tụ H-C tăng áp suất tăng nhiệt độ không đổi, giảm nhiệt độ áp suất không đổi Tuy nhiên trình ngưng tụ hai trường hợp sảy khác nhau, tăng áp cấu tử nhẹ bò hoà tan vào pha lỏng nhiều lên điều không tốt, tăng áp hay giảm nhiệt cấu tử nặng chuyển sang pha lỏng nhanh Công thức qui đổi nhiệt độ: ToC = ToK-273,15 ToR = 1,8 ToK ToF = ToR – 459,67 ToC = 5/9(ToF - 32 ) Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page NHIỆT ĐỘ TỚI HẠN Tc, ÁP SUẤT TỚI HẠN Pc: Đối với đơn chất Tc, Pc thông số biết qua hình 2.1, 2.2, 2.3 Đối với hỗn hợp sau phân tích thành phần hỗn hợp người ta tính Tc, Pc nhö sau: Tc=∑Tci x yi ; Pc=∑Pci x yi yi: phần mole cấu tử hỗn hợp Ví dụ: Tính toán thông số nhiệt độ tới hạn Tc, áp suất tới hạn Pc, khối lượng phân tử MW, hệ số không đồng (acentric) W theo công thức cho hỗn hợp sau: MW=∑Mwi x yi Tc=∑Tci x yi C1 C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 nC6 nC7 nC8 nC9 nC10 CO2 H2S N2 H2O Total Tci(k) Pci(kpa ) 190.56 4599 305.41 4800 369.77 4240 407.82 3640 425.1 3784 460.35 3381 469.65 3365 506.4 3030 539.2 2740 568.4 2490 594.7 2280 617.7 2100 304.11 7374 373.37 8963 126 3399 647 22118 yi 0.7 0.1 0.05 0.03 0.02 0.015 0.015 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.005 0.003 0.002 MW i 16.043 30.07 44.097 58.123 58.123 72.15 72.15 86.117 100.204 114.132 128.258 142.258 44.01 34.082 28.0134 18 Mw i*yi Pci*yi Tci*yi 11.2301 3219.3 133.392 3.007 480 30.541 2.20485 212 18.4885 1.74369 109.2 12.2346 1.16246 75.68 8.502 1.08225 50.715 6.90525 1.08225 50.475 7.04475 0.86117 30.3 5.064 1.00204 27.4 5.392 1.14132 24.9 5.684 1.28258 22.8 5.947 1.42258 21 6.177 0.4401 73.74 3.0411 0.17041 44.815 1.86685 0.08404 10.197 0.378 0.036 44.236 1.294 27.9528 4496.758 251.9521 Mw Pc(kpa ) Tc(k) wi 0.0104 0.0979 0.1522 0.1852 0.1995 0.228 0.2514 0.2994 0.3494 0.3977 0.4445 0.4898 0.2667 0.0948 0.0372 0.3443 yi*w i 0.00728 0.00979 0.00761 0.005556 0.00399 0.00342 0.003771 0.002994 0.003494 0.003977 0.004445 0.004898 0.002667 0.000474 0.0001116 0.0006886 0.0651662 W W=∑Wi x yi Pc=∑Pci x yi CÂN BẰNG PHA LỎNG – KHÍ CỦA HỆ HYDROCACBON Đại lượng đặc trưng cho phân bố cấu tử pha điều kiện cân gọi số cân pha Nó xác đònh phương trình: Ki=yi/xi yi phần mol cấu tử pha hơi, xi phần mol cấu tử pha lỏng Ki phụ thuộc vào áp suất , nhiệt độ, áp suất hội tụ (áp suất mà số cân tất thành phần 1) hệ p suất hội tụ xác đònh theo thành phần pha lỏng cân (mà thành phần pha lỏng ẩn số) thường ta chọn áp suất hội tụ cho hệ lỏng sau tra Ki, tính toán thành phần lỏng khí, sau từ thành phần lỏng cân ta lại tính áp suất hội tụ áp suất hội tụ chọn tính toán giống kết Trong thực tế hệ dầu khí có áp suất 50 bar số cân Ki không phụ thuộc áp suất hội tụ trình tính toán đơn giản hoá nhiều Để tính áp suất hội tụ theo bước sau : Chuyển pha lỏng cân thành hệ bậc hai giả cấu tử thứ cấu tử nhẹ, có lượng không 0,1%mole, cấu tử thứ hai gồm cấu tử lại Tính nhiệt độ tới hạn trung bình khối áp suất tới hạn trung bình khối cấu tử giả nặng theo phương trình: Ttbk=∑xiMWiTci / ∑xiMWi Ptbk=∑xiMWiPci / ∑xiMWi Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page Sau đánh dấu hình 2.7 vò trí cấu tử giả nặng có tung độ hoành độ Ptbk, Ttbk , đường nội suy đường cong tới hạn bậc có đồ thò vẽ đường cong tới hạn cấu tử nhẹ-cấu tử giả nặng Từ đường cong vẽ áp suất ban đầu hệ điểm gióng từ nhiệt độ qua đường cong áp suất hội tụ Hình 2.7: Đồ thò kiểm tra áp suất hội tụ Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 10 Ví dụ: chu trình cấp nhiệt đẳng áp lý tưởng cho turbine Mars 100 có thông số sau: không khí vào máy nén có áp suất bar, t1 = 27oC, áp suất sau khỏi máy nén 16 bar, nhiệt độ cực đại buồng đốt Tmax = 1120oC xác đònh nhiệt độ áp suất điểm đặc trưng chu trình, công tiêu hao cho máy nén không khí hiệu suất chu trình: Giải: Giản đồ T-s P1 = P4 = bar P2 = P3 = 16 bar T1 = 300oK T3 = 1393oK Không khí xem khí lý tưởng loại có hai nguyên tử nên k = 1,4 có CP = 1,0035kJ/kg độ Công thức tính h = CPT k = 1,4 => m = 0,2857 Công tiêu hao cho máy nén không khí Wcomp_air = h2 – h1 = cP(T2-T1) Quá trình nén không khí xem trình đoạn nhiệt lý tưởng s1 = s2 nên T1/T2 = (P1/P2)m = (1/16)m = 0,45288 (có thể xem công thức tính nhiệt độ đầu phần máy nén khí) => T2 = T1/0,45288 = 662oK Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 187 cP = 1,0035kJ/kg độ Wcomp_air = h2 – h1 = cP(T2-T1) = 1,0035(662 – 300) = 363 kJ/kg Đối với turbine khí Wturbine = h3 – h4 = cP(T3-T4) T4/T3 = (P4/P3)m = 0,45288 = > T4 = T3x0,45288 = 631oK Wturbine = h3 – h4 = cP(T3-T4) = 1,0035(1393 – 631) = 765kJ/kg Công sinh chu trình (cho turbine lực) W = Wturbine - Wcomp_air = 765 – 363 = 402 kJ/kg Hệ số công suất tự duøng: bwr = Wcomp_air / Wtuabine = 363/765 = 0,47 (47%) phần nhiều công suất dùng cho máy nén không khí Nhiệt lượng cấp vào: q1 = cp(T3-T2) = 1,0035(1393 – 662) = 733 kJ/kg Nhiệt lượng thaûi ra: q2 = cp(T4-T1) = 1,0035(631 – 300) = 332 kJ/kg Hiệu suất nhiệt lý thuyết chu trình: Etheor = (q1-q2)/q1 = (733 - 332)/733 = 0,55 Hay Etheor = 1- (T1/T2) = 1- 300/662 = 0,55 Hay Etheor = W/q1 = 402 / 733 = 0,55 (hieäu suất bao gồm công chạy máy nén không khí công sinh trục turbine lực) LVH: 1142 Btu/scf 1BTU = 1.055056 kJ scf = 0.02831685 scm 1142 Btu/scf = 1142x1,055056/ 0.02831685 = 42550 kJ/scm Power(site) maát 11% 9935 kW (tính toán bên dưới) lưu lượng khí nhiên liệu 1,3 m3/phút Ethermal = Wact/(mfLHV) = 9935/(1,3x42550) = 0,18 (18%) (18 % nhiệt lượng cháy để sinh công trục turbine lực) Một số loại turbine giới: Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 188 Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 189 Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 190 Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất turbine: Khi nói đến công suất turbine người ta thường nói tới công suất hữu ích trục turbine lực, thông số công suất mà nhà chế tạo đưa công suất max điều kiện chuẩn ISO (international standards organization) sau: Nhiệt độ xung quanh: 15oC Độ cao so với mặt biển: m Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 191 Aùp suaát xung quanh: 101,325 kpa (abs) Độ ẩm tương đối: % Chất lượng nhiên liệu Trong điều kiện thực tế công suất hữu ích thực tế trục phải hiệu chỉnh theo hệ số nhân sau: (hình 18.7 ) Hình 18.7: đồ thò tra hệ số hiệu chỉnh công suất hữu ích trục turbine Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 192 Ví dụ: tính công suất hữu ích tối đa turbine Mars 100 điều kiện làm việc sau: Nhiệt độ xung quanh: 27oC Độ cao so với mặt biển: 50 m Chênh áp khí vào: 100 mm nước Độ ẩm tương đối: 0% Chênh áp ống sả : 50mm nước Công suất ISO 11185 kW Giải: Tra đồ thò hiệu chỉnh cho độ cao 50m hệ số nhân 0,99 Chênh áp ống sả : 50mm nước hệ số nhân 0,9965 Chênh áp khí vào: 100 mm nước hệ số nhân 0,984 Nhiệt độ xung quanh: 27oC hệ số nhân 0,915 Do Power (site max) 11185x0,99x0,9965x0,984x0,915 = 9935 kW (mất 11%) Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển điện tử nhằm tự động hoá hoạt động turbine theo yêu cầu người sử dụng Nó cho phép khởi động, dừng máy, vào tải, nhả tải cho máy theo chế độ tay tự động từ vò trí chỗ từ xa Hệ thống điều khiển bao gồm thiết bò tự động, phần tử điều khiển lắp đặt hệ thống có hệ thống điện Các phần tử điều khiển thiết bò điện, - điện tử – điện - thuỷ lực Cấu thành hệ thống điều khiển gồm: - Cảm biến (sensor) loại nhiệt độ, áp suất, lưu lượng mức chất lỏng chất khí Cảm biến vò trí, tốc độ, độ rung, nhiệt độ kết cấu kim loại Các tín hiệu vào (input) mức tương tự (analog) tín hiệu số (digital) Tín hiệu chuyển đổi truyền đến điều khiển trung tâm PLC thiết bò điều khiển với hỗ trợ truyền (Transmitter, Proximiter), thiết bò bảo vệ cấu chấp hành (safety barrier) thiết bò tín hiệu khác Hình 18.8: Sơ đồ hệ thống điều khiển turbine Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 193 Hình 18.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển bảo vệ turbine Hệ thống điều khiển lưu lượng gas nhiên liệu Hình 18.10: Sơ đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 194 Các cảm biến Ngp, Npt, T5, T1, so sánh CJ Ngp setpoint cung cấp tín hiệu đến điều khiển Bộ điều khiển xử lý tín hiệu đưa lệnh yêu cầu tín hiệu điện (4 - 20 mA) đến cấu chấp hành (actuator) Actuator điều khiển van tiết lưu cung cấp gas nhiên liệu phù hợp cho trình Bộ điều khiển gồm chức tiếp nhận tín hiệu đầu vào, chọn chế độ (mode) giới hạn điều khiển đúng, xác đònh mức độ yêu cầu, tính toán tín hiệu với giá trò truyền đến cấu chấp hành Phân chia đến đầu cấu chấp hành, mode điều khiển, lượng nhiên liệu yêu cầu, Ngp, Npt khối điều khiển có hồi tiếp T5 Hình 18.11: Turbine dẫn động máy nén khí Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 195 PHAÀN 19 EXPANDER Hình 19.1: Expander Hình 19.2: Bánh công tác turbine wheel Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 196 Hình 19.3: Mặt cắt tổ hợp expander-Compressor Gas vào expander chui qua cánh theo kiểu hướng trục rời khỏi expander theo kiểu dọc trục Khi qua cánh khí sinh công làm quay bánh từ làm quay trục Thường công sinh trục dẫn động máy nén khí ly tâm, máy phát điện Hiệu suất expander cao đến 85% (Eisen) ỨNG DỤNG: Expander dùng công nghệ thu hồi NGL (C2+, C3+), hay giám sát dewpoint Hình 19.4 : Công nghệ dùng expander giám sát dewpoint Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 197 Hình 19.5: Sơ đồ công nghệ đơn giản dùng expander thu hồi NGL QUI TRÌNH TÍNH TOÁN EXPANDER: Dữ liệu biết thành phần khí vào yi, T1, P1, P2 từ P1, T1 tính h1, s1 đẳng entropy nên s2 = s1 có s2, P2 tính T2, h2 = h2isen coâng sinh W = m(∆hisen)Eisen = m(h2-h1)Eisen = m(h2isen – h1)Eisen Tính lại h2act = h3 = h1+ (h2isen – h1)Eisen Có P2, h3 = h2act tính T3 = Tact Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 198 Tuy nhiên khí qua expander nhiệt độ giảm nhiều nên dòng khí thường dòng hai pha việc tính toán trở nên phức tạp người ta thường giải máy tính Ví dụ: Một dòng khí 1x106 std m3/d Mw = 16, qua expander P1 = 70bar, P2 = 20 bar, T1 = 10oC, Eisen = 0,82 Giaûi: Từ P1, T1 tính h1 = 518kJ/kg s1 = 9,08 kJ/kg.oK s2 = s1 = 9,08 kJ/kg.oK coù s2, P2 tính T2 = -70oC , h2 = h2isen = 380 kJ/kg m = 1x1762x16 = 7,83 kg/s coâng sinh -W = m(∆hisen)Eisen = m(h2-h1)Eisen = m(h2isen – h1)Eisen = 7,83 (380 – 518)0,82 = -890 kW coâng sinh laø 890 kW h2act = h3 = h1+ (h2isen – h1)Eisen = 518 + (380 – 518)0,82 = 405 kJ/kg Có P2, h3 = h2act tính T3 = Tact = -60oC Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 199 PHẦN 20 HỆ THỐNG LÀM LẠNH Hệ thống lạnh cần thiết công nghệ dầu khí đây: - Làm lạnh dòng khí việc chiết xuất NGL - Làm lạnh dòng khí việc giám sát dewpoint - Bảo quản sản phẩm LPG - Hoá lỏng khí LNG - Trong công nghệ dầu khí hệ thống lạnh sử dụng nhiều hệ thống có dùng máy nén khí hình 20.1 sau: Hình 20.1: Hệ thống làm lạnh đơn giản dùng máy nén đơn Trong sơ đồ tác nhân lạnh qua JT van giãn nở nhiệt độ giảm suống yêu cầu 3->6oC thấp nhiệt độ cần hạ khí công nghệ Trong thiết bò trao đổi nhiệt (chiller) tác nhân lạnh hoá nên chúng nhận nhiệt, khỏi chiller làhơi bão hoà, vào máy nén nén lên thành nhiệt nên cần làm mát (condenser) cho trở lỏng bão hoà sau chứa bình Biểu diễn trình trên giản đồ P-H sau: để làm lạnh sâu người ta hay dùng expander ví dụ sau: Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 200 Hình 20.2 : Dùng expander yêu cầu dewpoint thấp Để tính toán trình ta áp dụng qui trình, công thức nêu từ phần trước: Cụm JT van Chiller Viết phương trình cân lượng quanh hệ ta có Viết phương trình cân vật chất qua điểm ta có m = mA = mC đó: ta có hA = hB (vì qua van h không đổi ) Máy nén khí Condenser Prepared by Hà quốc Việt pro Eng gas comp platform page 201