AUTOMATIKUS VEGYSZERADAGOLÓ RENDSZEREK GÁZTERMELÉSHEZ AUTOMATICAL CHEMICAL INJECTION SYSTEMS IN GAS PRODUCTION Vörös Csaba 1, Füvesi Viktor 1, Jónap Károly 2 1 tud. segédmunkatárs,2 tud. főmunkatárs, PhD Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet 3515 Miskolc, Egyetemváros Pf.2. voros@afki.hu, fuvesi@afki.hu, jonap@afki.hu Kivonat: A földgáztermeléshez szorosan kötődnek vegyszer adagolási feladatok (például hidrátgátlási, korróziógátlási és egyéb feladatok). A termelvény energiáját felhasználó adagoló rendszerek széles körben terjedtek el a gáziparban, hazai és külföldi alkalmazásokban egyaránt. Világszerte megkezdődtek 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. Első feladatként a kitűzött cél az új adagoló rendszer tervezéséhez és megvalósításához kapcsolódóan, a kereskedelemben kapható adagolók vizsgálatának elvégzése volt, majd ezt követte a vizsgálat tapasztalatai alapján az új adagoló rendszer kifejlesztése. A vizsgálatokhoz megépítettünk a klímakamrát és mérőrendszerként elosztott intelligenciájú folyamatirányító rendszert használtuk. A DCS adatait és az OPC programot felhasználva adatbázist és webes megjelenítő felületet programoztunk. Kulcsszavak: gázhidrát, vegyszeradagoló, földgáztermelés, mérés-adatgyűjés Abstract: Chemical dosing tasks (such as gas-hydrate inhibition, corrosion inhibition and other tasks) are closely related to natural gas production. Dosing systems operated by the energy of the production are widespread in gas production in both domestic and foreign applications. Development of small or zero emission injection pumps have started worldwide. Staff of ME AFKI (UM RIAES) has been collaborating with market participants for over a year in an EU-founded project on development and research. Tasks include investigating injection pumps available commercially, followed by the design and implementation of new injection systems. We have built a climatic chamber for testing extreme conditions. Distributed control systems are used for data acquisition. Test results are stored in a database and visualized on a web interface we have developed. Keywords: gas hydrate, chemical injection, natural gas production, measurement and data acquisition 1. GÁZHIDRÁT 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 (pl. hidrolízis - HCl), valamint a hidrátképző nem tartalmazhat olyan hidrogénatomot, amely újabb hidrogénhíd kötést hoz létre (pl. NH 3, CH 3 OH). A gyakorlatban leginkább előforduló gázhidrátok hidrofób gázok, vagy folyadékok beépülésével jönnek létre a gázmolekula méretétől függően 46, vagy 136 vízmolekulából álló gazdarács szerkezet kialakulásával. 1.1. Gázhidrát a földgáztermelésben A földgáztermelésben a gázhidrát keletkezés káros jelenség, hisz a szállítóvezetékek belsejében dugószerű hidrátgócok keletkeznek, amelyek annyira stabilak, hogy a csővezetéket teljes mértékben lezárják. A gázhidrát-dugó mögött felhalmozódó gáznyomás a dugót nem képes elmozdítani, így az magától nem mozdul el, a kialakult dugulás nem szűnik meg. Megszüntetéséhez a csővezetéket vagy vegyszeres kezeléssel tisztítani kell, vagy az elhidrátosodott vezetékrészt kell kívülről felmelegíteni. A vegyszeres kezelés lényege, hogy a csővezetékbe olyan anyagot juttatunk, ami a kialakult hidrátgócot feloldja. Tipikusan és széles körben használt ilyen termodinamikai anyag a metanol. A kimelegítés lehetősége csak akkor áll fent, ha az eldugult csőszakasz hozzáférhető, és beazonosítható. Összességében elmondható, hogy a gázhidrát-dugók eltávolítása költségigényes folyam. A költségeket egyfelől a kieső termelés, másfelől a hidrátdugó eltávolításának technológiai költsége jelenti. Gázszállító rendszerekben a gázhidrát tipikusan téli hónapokban alakul ki. Kialakulásának valószínűsége nő azoknál a technológiai berendezéseknél, ahol a gáz expandál és tovább hűti a csőszakaszt. Tipikusan ilyen berendezések a csővezetékben elhelyezett fúvóka. 1.2. Hidrátgátló anyagok Jelenleg az iparban három különböző típusú hidrátgátló anyagot alkalmaznak: termikus inhibitorok, kinetikus inhibitorok és anti-agglomerant inhibitorok. Az termikus inhibitorok hátránya a magas koncentrációigény, és az ezzel párosuló környezetszennyezés. Ennek a két hátránynak a kiküszöbölésére fejlesztették ki a kinetikus, és anti-aglomerant vegyületeket, amelyek ppm nagyságrendű beadagolás mellett, kis környezeti terhelést jelentenek. A kinetikus inhibitorok csökkentik a hidrátképződési sebességet, az anti-agglomerant inhibitorok pedig a keletkező hidrátszemcsék méretét korlátozzák, és megakadályozzák azok összetapadását. Hagyományos hidrátgátlás esetén a nagy mennyiségű metanolt a gázgyűjtő állomásról, hosszú távvezetékeken szállítják a gázkúthoz, és ott sajtolják be a szállítóvezetékbe. A metanolt a környezeti terhelés csökkentése végett a gyűjtő állomáson szeparálni kell. Egy-egy metanol-regeneráló telepítése milliárdos költségekkel bír, ezért ezt a technológiát napjainkban már csak elvétve alkalmazzák. A távvezetéken szállított, és nagy mennyiségben beadagolt termodinamikus készítmények helyett előszeretettel alkalmazzák az un. LDHI (Low Dosage Hydrate Inhibitor) anyagokat (AA és KI). Ezen anyagok távvezetéki rendszerbe történő beadagolásához elegendő egy helyileg telepített vegyszertároló, és egy vegyszeradagoló (CIP - Chemical Injection Pump). 2. HELYI ADAGOLÁSI LEHETŐSÉGEK 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. A készítmények beadagolására használt pumpákat alapvetően kéttípusú működtetési móddal lehet meghajtani. Pneumatikus működtetésű pumpák. 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. Elektromos működtetésű pumpák. A pumpák itt membrános vagy dugattyús kivitelűek lehetnek. Működtetésük szempontjából motoros, vagy behúzó-mágnestekercses kialakításúak. Az elektromos megoldás hátrány a robbanásveszélyes övezetben történő elhelyezés esetén felmerülő plusz költség. Elsődleges előnye a megoldásnak, a szinte gondozásmentes üzemvitel lehetősége. 2.1. Zéró emissziójú lehetőségek Mind pneumatikus, mind elektromos működtetés esetén lehetőség van a környezeti terhelés csökkentésére, megszüntetésére azáltal, hogy a működtető energiát helyileg állítják elő, illetve az energia-előállítás során káros anyagot a környezetbe nem bocsájtanak ki. Pneumatikus működtetések esetén a munkagáz (jellemzően földgáz) lepufogását szüntetik meg - erre két lehetőség áll rendelkezésre: - a fáradt gázt felfogják és visszasajtolják a gázszállító rendszerbe (vagy tárolják). Hátránya, hogy a visszasajtoláshoz ismét energiára van szükség - a szállítóvezetékbe torlótárcsát építenek, amelyen keletkező nyomásesés hajtja az adagolót. Hátránya, hogy a szállítóvezeték nyomása/hozama csökken (gazdasági kérdés) Elektromos működtetés eseté a működéshez szükséges energiát nem a kiépített elektromos hálózatról, hanem helyi előállítású kiserőművekből nyerik. Az elektromos hálózat megléte az adagolási helyeken amúgy is viszonylag ritka eset. Döntően az elektromos adagolású pumpák energiaigényét napelemes rendszerekkel oldják meg. A megoldás hátránya a viszonylag nagy helyigényű napelemtáblák elhelyezése, illetve azok téli/nyári üzemvitelének megoldása. 3. PNEUMATIKUS MŰKÖDTETÉSŰ VEGYSZERADAGOLÓ BEMUTATÁSA Egy pneumatikus adagolópumpa alapvetően három részegységből áll: gázelőkészítő, ütemadó és 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.
1. ábra Példa egy teljes adagolórendszerre [1] 3.1. A kiépített tesztrendszer részletes bemutatás Kitűzött feladatunk volt egy új adagoló rendszer tervezéséhez és megvalósításához kapcsolódóan, a kereskedelemben kapható adagolók vizsgálatának elvégzése, és a vizsgálat tapasztalatai alapján az új adagoló rendszer kifejlesztése. A mérések legfontosabb célja, hogy tesztmérésekkel információkat gyűjtsünk a piacon kapható elterjedt adagoló egységek különböző viszonyok közti működéséről, alkalmazásának előnyeiről és hátrányairól. 2. ábra - Klímakamra kialakítása A mérések elvégzéséhez létrehoztunk egy házi építésű klímakamrát, amiben tesztelni tudtuk az adagolókat. A klímakamra alkalmas -40 C-tól +60 C hőmérséklet előállítására. A
klímakamra felületén 4 rétegben összesen 20 cm Nikecell szigetelőanyagot használtunk. A kamra faváz szerkezetű, és belülről OSB borítású. A kamra fűtéséhez egy darab 2000 W-os elektromos fűtőtestet használtunk, hűtésére pedig 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. A klímakamrához csatlakozik egy automatikus mérő és felügyelő rendszer. Ennek a mérőrendszernek segítségével készültek mérések a kiválasztott Williams inhibitor adagoló egység tesztelésére. A vizsgálatokhoz mérőrendszerként az Emerson Process Managemenet cég DeltaV típusú elosztott intelligenciájú folyamatirányító rendszerét (Distributed Control System DCS) használtuk. A teszteket sűrített levegővel végeztük, amit a mérőrendszer mellé telepített 400 bar-os légkompresszor szolgáltatott. A vizsgált rendszer a terepen összeállított adagolóval teljes egészében megegyező, vagyis a gázelőkészítő egységet és a vegyszeradagolót is tartalmazza. A kiépített rendszer P&I vázlata a 3. ábrán látható. 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) - az adagolás impulzusszámát - a kamra belső hőmérsékletét (TT-04) - az adagolóberendezés belső hőmérsékletét (TT-05) 3. ábra A kiépített rendszer vázlata 3.2. Adatgyűjtés és Webes felület bemutatása Az megfelelő műszerezéssel ellátott rendszerből a (nyomás, hőmérséklet és áramlás) távadóktól érkező jelek a DeltaV folyamatirányító rendszerbe futnak be. A mérések nyomon követése elsősorban a folyamatirányító rendszerhez tartozó számítógép segítségével lehetséges.
4. ábra A löket számlálás funkció diagramja a Control Studio-ban A kialakított program alkalmas a futó értékek realtime, grafikus megjelenítésére, és azok archiválására. Az adatok visszakereshetőek, és grafikusan megjeleníthetőek. Az áramláskapcsoló jeleit a folyamatirányító rendszer folyamatosan összegzi, így lehetőség van a mérés indításától számított összegzésre. Az összegzett adatokból számolt beadagolt mennyiség összevethető a valós adagolt mennyiséggel. A mérések nyomon követése webes felületen is lehetséges. A DeltaV folyamatirányító rendszer adatbázisából az adatok lekérhetők [4]. A lekért adatok bekerülnek egy MySQL adatbázisba, ahonnan PHP nyelv segítségével az adatok feldolgozhatók majd megjeleníthetők. A képernyőn legfelül látható a mérés rendszerterve és az aktuális mérési paraméterek. A rendszerterv alatt lévő táblázatban az elmúlt 1 óra legfontosabb mérési paraméterei találhatók, mint pl.: hőmérséklet, nyomás értékek. A webes felület további része egy grafikon, amelyben a rádió gombok segítségével kiválasztható a megjeleníteni kívánt paramétereket (nyomás vagy hőmérséklet értékek) időbeli változását. 5. ábra Nyomás, hőmérséklet változásának megjelenítése webes felületen
3.3. Mérési paraméterek A mérési programot úgy állítottuk össze, hogy lefedje a teljes rendelkezésre álló hőmérséklettartományt, valamint a kiválasztott nyomástartomány fedje le a magyarországi jellemző kútnyomásokat. A levegős mérések paramétertartománya ezen követelmények figyelembevételével (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 nagynyomású kompresszor által előállított nyomásból 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. A mérések során második paraméterként az adagoló rendszer adagolási ütemének módosítása mellett döntöttünk. 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. A beállított löketszámok, és a beállított nyomásértékek mellett az adagolt mennyiség változása látszik a 6. ábrán. A méréseket 0 C-on végeztük. Az elkészített diagramokon nyomon követhető az adagolt mennyiség változása a bemenő nyomás függvényében. 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. Vizsgálathoz használt hőmérsékletek: -35, -20, -10, 0, +10 C, szobahőmérséklet, +40, +60 C. 6. ábra Az adagolt inhibitor átlagos óránkénti mennyisége [cm 3 /óra] 3.4. A mérések időtartama 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. 3.5. Mért paraméterek A vizsgált rendszer pontos kézbetartásához az előzőekben felsorolt paraméterek mérése szükséges. Mivel a rendszer viselkedését a legjobban a környezeti hőmérséklet befolyásolja, ezért a kiépített rendszerben több helyen is mérjük a hőmérsékletet. A TT-4 hőmérséklet távadóval mérjük a kamra belsejében lévő hőmérsékletet, a TT-5 jelű távadóval pedig az FB-9 jelű szekrény belső hőmérsékletét mérjük. Pneumatikus rendszer lévén szükséges az egyes nyomásértékek felügyelete is. A kiépített mérés során mérjük a mérőrendszer bemeneti nyomását, a PT-1 nyomástávadó segítségével. Mérjük továbbá a nyomásregulátor kimeneti nyomását, ami az IP-4 jelű vegyszeradagoló pumpának a működtető nyomása. A harmadik mért nyomásérték a rendszer kimeneti nyomása, amit a PT-3 nyomástávadó szolgáltat. Az adagoló ütemezéséről információt a kimeneti nyomástávadó segítségével kapunk a hirtelen jött nyomáslökések mérésével. 4. MÉRÉSEK A mérések során a nyomás- és hőmérséklet-távadók jeleit, valamint az impulzus számokat rögzítettük. A mérési eredményeket a mérés végeztével értékeltük, azokat dokumentáltuk, és szükség esetén szövegesen értékeltük. A mérések során szerzett tapasztalatokat a terepen működő hasonló rendszerek üzemeltetőivel egyeztettük. 4.1. Mérési tapasztalatok 7. ábra Példa egy mérési lapra 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 a 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 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. 5. SAJÁT FEJLESZTÉSŰ PUMPA A mérési és teszteredményeket felhasználva belefogtunk két darab zéró emissziójú vegyszeradagoló rendszer megépítéséhez. Mindkét rendszer elektromos meghajtású, viszont a mechanizmusában különbözőek. A megépítéshez meghatároztuk az üzemeltetés célparamétereit: - Az adagoló működési hőmérséklettartományának -40 C és +60 C kell esnie. - Az adagoló maximálisan 160 bar nyomásig adagoljon. - Az adagolt mennyiség 0-16 liter/nap között állítható legyen. Az adagolóhoz - kereskedelmi forgalomban kapható adatgyűjtő és kommunikációs modulokból- építettünk egy távfelügyeleti rendszert, amely lehetőséget nyújt a rendszer paraméterezésére, és az onnan érkező adatok gyűjtésére, továbbítására. A fejlesztésben felhasználjuk a meglévő webes megjelenítő felületet is. Célunk egy új, világviszonylatban is vezető jellegű adagoló rendszer (mechanika, elektronika, mérés- és adatgyűjtő rendszer, mobilkommunikációs és számítástechnikai rendszer) tervezése, megépítése. 6. 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. 7. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Willams Milton Roy: Dual Seal Plunger, V Series of Metering Pumps, V Brochure Revised 11-00, www.williamspump.com, [2] Willams Milton Roy: Chemical Injection Pumps and Products, Product/Capabilites Brochure Revised 3-01, www.williamspump.com, [3] Emerson Process Management, DeltaV Digital Automation System, System overview, www.emersonprocess.com [4] Emerson Process Management, The DeltaV System Overview, www.emersonprocess.com