Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet Műszerfejlesztési és Informatikai Osztály AUTOMATIKUS VEGYSZERADAGOLÓ RENDSZEREK GÁZTERMELÉSHEZ Vörös Csaba, Jónap Károly, Füvesi Viktor Magyarországi Régióban 2012. május 10. 1
Alapkoncepció A földgáztermeléshez szorosan kötődnek vegyszer adagolási feladatok, hidrátgátlási, korróziógátlási és egyéb a termeléshez tartozó technológiai követelmények kielégítésére. Tekintettel arra, hogy a kútkörzetek rendszerint lakott településektől távol helyezkednek el, a hagyományos megoldásokban a termelvények energiáját használják mind a kútkörzeti technológia kiszolgálására, mind a műszerezési feladatokat ellátó egységek energiájának biztosítására. A termelvény energiáját felhasználó adagoló rendszerek széles körben terjedtek el a gáziparban, hazai és külföldi alkalmazásokban egyaránt. Ezeknél a pneumatikus működtetésű rendszereknél a felhasznált gáz mennyisége a technológiai követelményektől függően viszonylag jelentős is lehet, ezért kezdődtek meg világszerte a kis, illetve nulla emisszióval rendelkező adagoló egységek fejlesztései. Az ME AFKI munkatársai egy EU támogatású projekt keretében, piaci szereplőkkel együttműködve végzik kutatási fejlesztési feladataikat ezen a területen több mint egy éve. 2
Gázhidrátok A vízben csak igen kevéssé oldódó, nempoláris molekulájú gázok is kölcsönhatásba lépnek a vízzel, módosítják szerkezetét és megfelelő körülmények között szilárd kristályként - un. gázhidrátként - kiválnak. A gázhidrátok stabilis állapotukban mindig két- vagy több-komponens H-klatrát vegyületek, amelyekben a víz molekulái relatíve nagy üregeket tartalmazó un. "gazda" (host) rács szerkezetet képeznek és ezeket az üregeket foglalják el a többi komponens - egyedi gázok, vagy gázkeverékek - "vendég" (guest) molekulái. Az üregeket kitöltő gázkomponensek nem kötődnek közvetlenül a vázszerkezet vízmolekuláihoz, helyüket azonban geometriai okok miatt nem tudják elhagyni a hidrogénhíd kötésekkel összekapcsolódott vízmolekula vázszerkezet összeomlása nélkül. A szilárd aggregátumot ily módon akár +15 C-ig is stabilizálhatják (0,1 MPa nyomáson). A klatrát képződésének elsőrendű kritériuma, hogy biztosított legyen a vízmolekulák rácsképzésre való törekvése, illetve a vendég molekulák mérete és alakja alkalmas legyen a vízmolekula-rács üregeibe való belépésre. A szerkezet létrejöttéhez még az is szükséges, hogy a vendég species és a vízmolekula között ne lépjen fel kémiai reakció, valamint a hidrátképző nem tartalmazhat olyan hidrogénatomot, amely újabb hidrogénhíd kötést hoz létre. A gyakorlatban leginkább előforduló gázhidrátok hidrofób gázok, vagy folyadékok beépülésével jönnek létre a gázmolekula méretétől függően 46, vagy 136 vízmolekulából álló gazdarács szerkezet kialakulásával. 3
Gázhidrát a földgáztermelésben A földgáztemelésben a hidrátképződés elsősorban a téli időszakban okoz problémát. A hidegebb a hónapokban a csővezeték, és a benne szállított gáz lehűl. A gázkutak természetes víztermelése és az alacsony hőmérséklet, valamint a csővezeték nyomása együttesen megteremti a gázhidrát képződés feltételeit. A csővezeték leghidegebb pontjain (tipikusan a fúvókák környezetében) fokozott hidrátkivállás jelentkezik. Az összeállt hidrátszemcsék dugót képezve részben, vagy teljesen elzárják az érintett csővezetéki szakaszt. 4
Védekezési módok A kialakult hidrátdugó stabilis önmagától nem szűnik meg. Eltávolításának lehetőségei: Kimelegítés Vegyszeres kezelés (hidrátdugó feloldása) Görényezés (mechanikai tisztítás) A gázhidrát-dugók eltávolítása költségigényes folyam. A költségeket egyfelől a kieső termelés, másfelől a hidrátdugó eltávolításának technológiai költsége jelenti. Vegyszeres hidrátgátlási módok: THI Termodinamikus inhibitálás (metanol). Nagy mennyiségben szükséges adagolni. Fokozott környezeti terhelés. LDHI Low Dosage Hydrate Inhibitor. Kinetikus, és antiagglomerációs készítmények. A kinetikus inhibitorok csökkentik a hidrátképződési sebességet, az antiantiagglomerációs inhibitorok pedig a keletkező hidrátszemcsék méretét korlátozzák, és megakadályozzák azok összetapadását. 5
Gyári adagoló a terepen A távvezetéken szállított, és nagy mennyiségben beadagolt termodinamikus készítmények helyett előszeretettel alkalmazzák az LDHI anyagokat (AA és KI). Ezen anyagok távvezetéki rendszerbe történő beadagolásához elegendő egy helyileg telepített vegyszertároló, és egy vegyszeradagoló (CIP - Chemical Injection Pump). Az LDHI jellegű anyagok adagolt (szükséges) mennyisége, haza viszonylatban a néhány dl/órás tartományba esik. Számos gyártó kínál kereskedelmi forgalomban kapható komplett adagoló rendszereket, amelyek magukban foglalják a vegyszertárolást, energiaellátást és adagolást is. 6
Tipikus adagoló felépítése Egy pneumatikus adagolópumpa alapvetően három részegységből áll: Gázelőkészítő Ütemadó Adagoló A gázelőkészítő feladata a rendelkezésre álló gáz szárítása, szűrése, és nyomáscsökkentése. Az ütemadó segítségével lehet beállítani az adagolás impulzusidejét (elsődleges mennyiségállítás). A működéséhez szükséges a jó minőségű, előkészített munkagáz megléte. Az adagoló végzi a nyomás ellenében történő folyadék besajtolását. A besajtolt folyadék mennyiségét a dugattyú lökethosszával lehet szabályozni (másodlagos mennyiségállítás). A teljes adagoló-rendszer magában foglal még szakaszoló- és visszacsapó szelepeket, mennyiségkalibráló hengert, biztonsági elemeket. 7
Problémák a terepen Pneumatikus működtetésű pumpák működése: A vegyszerek beadagolását aszimmetrikus munkahenger segítségével végzik. A munkahenger kisebb átmérőjű része végzi a szállítóvezetékbe történő besajtolást, a nagyobb felületű részére pedig a munkagázt juttatják. A munkagázt általában a szállított/kezelni kívánt gázból állítják elő nyomáscsökkentés, és szárítás útján. Az adagoló pumpa működéséhez 5-10 bar-os munkagázt igényel. A dugattyú mozgását a munkagáz által működtetett ütemadó vezérli. A felhasznált munkagázt a folyamat végén a légkörbe eresztik. A pneumatikus megoldás előnye, hogy a működéshez szükséges energia (a munkagáz) automatikusan előáll a rendszer működése idején, azaz amíg a szállítóvezeték üzemben van, addig van működtető gáz. Elsődleges hátránya a nagy gázemisszió, amit a lepufogott munkagáz jelent. További hátránya a hőmérsékletre igen érzékeny gázelőkészítő rendszer. 8
Gázkibocsájtás, zéró emisszió új koncepció Az adagolók működtetéséhez használt gáz végső soron a környezetbe kerül. A kibocsájtott gáz mennyisége egyenesen arányos a felhasznált vegyszer mennyiségével és négyzetesen arányos a szállítóvezeték nyomásával. Gázfogyaszás: (átlagos feltételek mellett) néhányszor 10 m 3 földgáz/hét A rendszerből gáz a légkörbe kerül az: Ütemadóból Adagolóból Világszerte elkezdődtek a kis, illetve nulla emisszióval rendelkező adagoló egységek fejlesztései. 9
Modellezés Kitűzött cél: a kereskedelemben kapható adagolók vizsgálatának elvégzése a vizsgálat tapasztalatai alapján az új adagoló rendszer kifejlesztése A mérések elvégzéséhez a terepen összeállított adagolóval teljes egészében megegyező rendszert állítottunk össze és a szélsőséges hőmérsékleti tartományban (-40 C +60 C) végeztük el a vizsgálatainkat. A vizsgálatokhoz megépítettük a klímakamrát és mérőrendszerként elosztott intelligenciájú folyamatirányító rendszert (DCS) használtuk. Annak érdekében, hogy a vizsgálatokat webes felületen is el tudjuk érni, a DCS adatait felhasználva adatbázist és webes megjelenítő felületet programoztunk, és így a megfelelő felhasználó és jelszó alkalmazásával az adatokhoz hozzá lehet férni távoli eléréssel. 10
Modellezés - Tesztrendszer felépítése Klímakamra Vegyszertartály Kompresszor Végnyomás szabályozó Nyomáscsökkentők Gázelőkészítő Adagoló rendszer 11
Kompresszor A tesztméréseket sűrített levegővel végeztük. A rendszer bemeneti nyomását, ami egyben a működtető nyomás 50 és 150 bar között változtatjuk. A nagynyomású kompresszor által előállított nyomásból reduktorok segítségével állítjuk elő a vizsgálathoz szükséges nyomásértéket. 12
Klímakamra A mérések elvégzéséhez létrehoztunk egy házi építésű klímakamrát, amiben tesztelni tudtuk az adagolókat: A klímakamra alkalmas -40 C-tól +60 C hőmérséklet előállítására. A kamra felületén 4 rétegben összesen 20 cm Nikecell szigetelőanyagot használtunk. A kamra faváz szerkezetű, és belülről OSB borítású. A fűtéshez egy darab 2000 W-os elektromos fűtőtestet használtunk. Hűtésére egy nagyteljesítményű ipari hűtőt telepítettünk. A klímakamra 2,3m x 2,3m x 1m belső terű így elfér benne a gázelőkészítő egység, valamint az adagoló és a vegyszertartály is. 13
Gázelőkészítő A gázelőkészítő rendszer eredeti funkciója a belépő földgáz szárítása. Ehhez egy 64 literes álló kivitelezésű nyomástartó edényt használnak. A tartályt félig megtöltik metanollal, és ezen keresztül áramoltatják a belépő földgázt. A gázelőkészítő tartályt a teszteknél nem töltöttük fel metanollal. A méréseket sűrített levegővel végeztük. 14
Adagoló A mérésekhez egy kereskedelmi forgalomban kapható vegyszeradagolót használtunk: Gyártó: Típus: Williams / Milton Roy Ivyland CP250V225 Max. termelő nyomás: Működtető nyomás: 7200 PSI (496 bar) 2,1 6,9 bar Maximális lökettérfogat: 0,8 cm 3 Adagolási sebesség: 1 45 löket/perc Maximális gázkibocsájtás: 32 nm 3 /nap 15
Végnyomás szabályozás A vegyszer besajtolásának modellezésére az adagoló pumpa kimenetére végnyomás-szabályozót illesztettünk. A szabályzón beállított nyomásérték jelentette a szállítóvezeték vonalnyomását. 16
Műszerezés nyomásmérők, hőmérők A tesztek során mértük: a belépő oldali nyomást a szeparátor előtt (PT-01) a gázelőkészítő és nyomáscsökkentők utáni munkagáz nyomást (PT-02) a kilépő oldalon a vegyszer nyomását, azaz a vonalnyomást (PT-03) a kamra belső hőmérsékletét (TT-04) az adagolóberendezés belső hőmérsékletét (TT-05) 17
Műszerezés ütemszámlálás A tesztek során továbbá detektáltuk az adagolást. A méréshez áramláskapcsolót építettünk az adagoló kimenetére, így minden egyes tényleges folyadékimpulzust detektálni tudtunk. Az áramláskapcsoló jeleit a folyamatirányító rendszer folyamatosan összegzi, így lehetőség van a mérés indításától számított összegzésre. Az áramláskapcsoló mellett a rendszer figyeli a PT-03 kimeneti nyomástávadó jelváltozásait is, és detektálja a nyomásimpulzusokat. Az összegzett adatokból számolt beadagolt mennyiség összevethető a valós adagolt mennyiséggel. A kiadagolt inhibitor mennyiségét kézzel is lemérésre került. 18
Műszerezés 19
DCS felület - Control studio - funkció blokkok A felső szinten az Emerson Process Management DeltaV folyamatirányító rendszerét használtuk a mérő- és vezérlő blokkok megvalósítására. A Control Studio-ban kialakított funkció blokk alkalmazások fedik le a méréshez használt hagyományos 4-20 ma-es és Foundation Fieldbus rendszerű távadókkal kapcsolatos konfigurációs és kommunikációs feladatok megoldását. A PT-3 programja és paraméterei 20
DCS felület - Control studio - ütemszámláló A ténylegesen megtörtént impulzusok számlálása: A kimeneti nyomás változását és az áramláskapcsoló jeleit a folyamatirányító rendszer folyamatosan figyeli. 21
Webes felület - főképernyő A mérések nyomon követése webes felületen is lehetséges. A DeltaV folyamatirányító rendszer adatbázisából az adatok lekérhetők. A lekért adatok bekerülnek egy MySQL adatbázisba, ahonnan PHP nyelv segítségével az adatok feldolgozhatók majd megjeleníthetők. 22
Webes felület - nyomások, hőmérsékletek A lekérdezett nyomás és hőmérséklet adatok grafikus formában, idő függvényében is megjeleníthetőek. A letárolt, archivált adatok az adatbázisból dátum szerint visszakereshetőek. 23
Mérési program - vonalnyomás A levegős mérések paramétertartománya a követelmények figyelembevétele és a kivitelezhetőség szem előtt tartása mellett a következőképpen alakult. A rendszer bemeneti nyomását, ami egyben a működtető nyomás 50 és 150 bar között változtatjuk. A kompresszor segítségével a megfelelő nyomást generálunk, és reduktorok segítségével állítjuk elő a vizsgálathoz szükséges nyomásértéket. A vizsgálathoz a következő bemeneti nyomásokat választottuk: 50 bar 100 bar 150 bar A bemeneti nyomások értékének beállításával a hazai és regionális nyomástartományokat le tudjuk fedni, és megfelelően tudjuk modellezni a tartományt az 1:3 arányú nyomásérték állítással. 24
Mérési program - ütemszám A mérések során második paraméterként az adagoló rendszer adagolási ütemének módosítása mellett döntöttünk. A mérések során a vizsgált adagoló rendszer ütemadója működési tartományának 3 pontján vizsgáljuk annak üzembiztos működését. Vizsgálathoz használt adagolási ütemek (a beállítási tartomány): 1 ütem/perc, 5 ütem/perc, 10 ütem/perc 25
Mérési program - hőmérséklet A méréskor vizsgált harmadik változtatni kívánt paraméter, ami egyben a legjobban befolyásolja a rendszer működését, a hőmérséklet. A magyarországi viszonyok szem előtt tartása mellett -40-től +60 C tartományban kell méréseket végezni. A tág vizsgálati tartomány és a mérés kézben tartása miatt mérési pontok felvétele célszerű. A mérési pontok a következők: -35, -20, -10, 0, +10 C, szobahőmérséklet, +40, +60 C. Vizsgálathoz használt hőmérsékletek: -35 C -20 C -10 C 0 C +10 C Szobahőmérséklet +40 C +60 C 26
Mérések menete A nyomás, az adagolás üteme és a hőmérséklet figyelembevételével a mérési sorozat első része 72 mérésből áll majd. A mérések, annak köszönhetően, hogy a vizsgálandó rendszert a kor követelményének megfelelően magas színvonalon műszereztük, nem követelnek emberi felügyeletet, csak az átállások között van szükség emberi jelenlétre. Az egy, beállított jellemzőhöz tartozó vizsgálati időt 24 órában állapítottuk meg, mert ennyi idő elegendő az adagoló adott körülmények közötti teljesítőképességének meghatározásához. Mivel a mérések között 4 óra karbantartási idő szükséges előre láthatólag, így egy mérés zavartalanul mehet mintegy 20 órát. A hosszú mérési idő alatt képesek vagyunk a felmérni a rendszer hosszú távú működési képességeit is. 27
Mérések értékelése 1. Az ábrán egy mérés kiértékelése látszik. A mérési lap tartalmazza: a mérés kezdetének és végének időpontját. a beállított paramétereket a beállított értékek változását, átlagértékét és azok szórását a nyomásértékek időföggvényét a hőmérsékletek időfüggvényét az adagolt inhibitor mennyiségének időfüggvényét Minden mérésnél összehasonlításra került a ténylegesen beadagolt inhibitor mennyiség, a mérési adatokból számolt mennyiségekkel. Minden mérést szövegesen is értékeltünk, kitérve az esetleges hibákra, és a nem várt eseményekre (elfagyás, mérés leállás, eresztés ) 28
Mérések értékelése 2. Az ábrán az adott hőmérsékleten (-40 C +60 C) végzett mérések összefoglaló diagramja látható. Minden megmért hőmérséklethez tartozik egy-egy kiértékelő diagram. Az X tengelyen a beállított löketszám és az Y tengelyen a bemeneti nyomás függvényében a beadagolt inhibitor mennyiség látható. 29
Mérések értékelése 3. 30
Mérési tapasztalatok A pneumatikus adagoló rendszer a mérések során jól vizsgázott. Nehézséget az ütemadó állítása jelentette, ami főleg a skálájának finom állíthatóságából adódott. Megfigyeltük továbbá, hogy a szobahőmérsékleten beállított ütemszám a hőmérséklet változásának nagyságától enyhén függ. A pozitív hőmérsékletű mérések során, szinte semmilyen probléma nem jelentkezett. A negatív hőmérsékletű méréseknél viszont, több nehézséggel is meg kellett birkózni. A -20 C-os hőmérsékleten kivitelezett méréseknél bementi nyomást biztosító cső elfagyását figyeltük meg. Az elfagyás a bementi cső és a gázelőkészítő csatlakozásánál kialakult jégdugó okozta. Ez a bementi nyomás ugrásszerű megváltozásakor volt következett be. Az elfagyások ellen fűtést alkalmaztunk a bementi és a kimeneti csöveknél egyaránt valamint szigetelést szereltünk fel a csövekre. Így meg tudtuk akadályozni a jégdugó kialakulását. Tapasztaltuk továbbá, hogy alacsony hőmérsékleten (-20 és -40 C-on) az adagoló időzítőjére kerülő működtető nyomás nagyon ingadozott. Ennek elkerülésére puffer tartály beépítése javasolt. Fontos lenne továbbá a működtető gáz tisztítása, szűrése így egy minimum 25 mikronos lyukméretű szűrő alkalmazása javasolt. A -40 C-os mérések során a gömbcsapok és szerelvények teljes elfagyása figyeltük meg. A szerelvények kicserélése után viszont jól működött a rendszer. Az üzemeltetés során fontos az alacsony hőmérsékletet elviselni képes szerelvények használta a hibamentes működés eléréséhez. 31
Összefoglalás Az Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézetben elvégeztük egy Williams adagoló rendszer tesztelését. A berendezés teszteléséhez megtervezésre és kivitelezésre került egy hűtőkamra, ahol a méréseket végeztük. A mérések automatizáláshoz egy folyamatirányító rendszer került alkalmazásra és felprogramozásra. A berendezésen, különféle működési beállítások mellett, közel 70 mérést végeztünk el és dolgoztunk fel. A mérések során változtattuk a rendszer bementi nyomását, a hőmérsékletet és az adagoló löketszámát. A mérések során mértük a kamra és a Rittál szekrény hőmérsékletét valamint bementi nyomást, az adagoló ütemadójára jutó szabályozott működtető nyomást és az ellennyomást. Mérésre került még az adagoló produkálta nyomásimpulzusok száma, az adagolási folyamat során, amiből következtetni lehet az adagolt inhibitor mennyiségére. A kiadagolt inhibitor mennyiségét kézzel is lemérésre került. A mérések monitorozásához készült egy weboldal, ahol az aktuálisan futó mérés legfontosabb mérési paraméterei láthatók. 32
Köszönetnyilvánítás A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 33
Köszönöm a figyelmüket! 34