К установкам и устройствам для получения холода относятся: штуцера или дроссели адиабатического расширения газа; холодильные машины абсорбционного и парокомпрессионного типов; расширительные машины (детандеры поршневые или центробежные) для дросселирования газа с совершением внешней работы. Дросселирование или расширение газа на установках подготовки может осуществляться с помощью специальных сопел – эжекторов, которые позволяют одновременно дросселировать основной поток газа и утилизировать потоки низконапорных газов.
Дроссели, предназначены для регулирования режима работы скважин путем изменения площади кольцевого прохода. Для получения холода используют стандартные штуцера или дроссели, подбор размеров, которых основан на принципе критического истечения газа через них (адиабатическое расширение газа без совершения внешней работы). В среднем для дросселирования температура снижается на 3-4 градуса на 1МПа.
В процессе разработки месторождения, в связи с падением пластового давления, эффективность установки НТС с использованием дросселя снижается. Качественная подготовка газа к транспорту и извлечение целевых компонентов сохраняется на приемлемом уровне первые 10 - 12 лет, и то при условии оптимальных отборов газа. При падении входного давления на сепараторе и поддержании его на прежнем уровне, температура сепарации начнет расти.Для поддержания ее на прежнем уровне необходимо вводить в установку НТС дополнительные технологические аппараты.
Рассмотрим основные варианты продления использования установки НТС при падении давления на устье скважин:
1) Наряду с охлаждением в теплообменнике «газ – газ» приходится предусматривать систему внешнего охлаждения. Так а южных месторождениях используют систему «газ – вода», а на северных месторождениях АВО. Однако более эффективным является внешнее охлаждение, а не компримирование с последующим охлаждением;
2) Другим методом продления срока эксплуатации установки НТС является подключение ДКС к голове технологической линии, т.е после первой ступени сепарации с последующим охлаждением газа на АВО;
3) Отказ в пользу изоэнтропийного охлаждения.
Эжекторы, (рисунок 2) предназначены для эжектирования низконапорного газа высоконапорным. На установках НТС газа эжекторы применяют вместо штуцеров (дросселей) перед низкотемпературным сепаратором.
Рисунок 2 - Эжектор
I — корпус; 2 — сопло; 3 — камера смешивания; 4 — кожух; 5 — диффузор; а — вход эжектирующего газа; б —- вход эжектируемого газа; в — выход смеси
Холодильные машины используют, когда хладопроизводительность дросселируемого газового потока перестаёт обеспечивать проектный температурный режим технологического процесса промысловой подготовки газа. В испарителе кипящий в межтрубном пространстве аппарата хладоагент (аммиак, пропан и т.д.) охлаждает природный газ, проходящий по трубкам. Пары хладоагента из испарителя направляются на конденсацию (снижение) компрессионным или абсорбционным методом. Охлажденный до необходимой температуры сепарации природный газ из испарителя направляется на сепарацию в НТС. Холодильные машины используют также для охлаждения газа на компрессорных станциях для увеличения подачи газа по магистральным газопроводам.
Турбодетандерные агрегаты, предназначены для получения холода в установках НТС, с применением принципа политропического расширения газа с совершением внешней работы. На рисунке 2 показано, что эффективность охлаждения газа в ТДА выше, чем с использованием дросселя.
Рисунок 2 – Снижение температуры газа в изоэнтрапийном (1) и изоэнатальпийном (2) расширении газа
Внешнюю работу газа можно использовать для вращения вала компрессора, в котором газ дожимается до давления, равного давлению в газопроводе или для выробатки электроэнергии на начальном этапе эксплуатации промысла.
Процессы расширения газа в турбинных решетках протекают, как известно, с относительно небольшими энергетическими потерями. Это позволяет с помощью турбодетандера получить максимальное количество холода и максимальную величину механической работы (исключая расширение при постоянной температуре газа) с единицы массы его конструкции, и, таким образом, эффективно разрешить проблему необходимой подготовки газа. При этом в низкотемпературном сепараторе возможно достичь температуру -60 0С и ниже.
В подавляющем большинстве установок подготовки турбодетандер передает свою мощность дожимающему центробежному или осевому компрессору; такое конструктивное сочетание обычно называют турбодетандерным (ТДА) или детандер – компрессорный агрегат. Необходимо отметить что ТДА не отличаются надежностью.Технологическая схема установки НТС с применением турбодетандера представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема установки НТС с применением турбодетандера
На сегодняшний день разработаны технологические схемы использования турбодетандерных агрегатов при разработке газоконденсатных месторождений с поддержанием пластового давления и технология обработки тощих газов.