СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНЕРТНЫХ ПО ОТНОШЕНИЮ К УГЛЕВОДОРОДНОЙ СРЕДЕ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF GASES INERT TO HYDROCARBON MEDIUM AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, а именно к области осуществления технологических операций с применением нейтральных (инертных) сред для предотвращения воспламенения углеводородных смесей. В частности, может применяться при операциях освоения нефтяных и газовых скважин, вызове и интенсификации притока флюида в нефтяных и газовых скважинах, испытании эксплуатационных колонн на герметичность понижением уровня, вскрытии продуктивных пластов с использованием газожидкостных смесей, промывке скважин после гидроразрыва пласта, пенных и пенокислотных обработках призабойной зоны. Кроме того, изобретение может быть использовано для заполнения и опрессовки полостей, газонефтепромыслового оборудования и трубопроводов и в некоторых других случаях, когда в процессе работы требуется создание взрывобезопасной среды.
Условия эксплуатации подобного технологического оборудования (такие как удаленные и труднодоступные районы, низкие температуры окружающей среды в зимнее время года) предъявляют к нему ряд жестких требований: минимальные габариты и вес, транспортабельность или возможность размещения на стандартном автомобильном шасси повышенной проходимости, простота эксплуатации, повышенная надежность и др.
Из предыдущих уровней техники известна установка (RU 2197649, С2 F15B 1/00, от 20.04.2001 г.) для подачи текучей среды под давлением, преимущественно взрыво- и пожаробезопасных смесей, содержащая винтовой компрессор, блок подготовки газа, выход которого пневмомагистралью подключен к газовому входу газобустерного насоса, выход которого сообщен с сепаратором, имеющим газовый выход, являющийся выходом установки, и жидкостный выход, соединенный с емкостью, и подпорный насос, подключенный своим входом к последней, а выходом - к жидкостному входу газобустерного насоса, дополнительно снабжена газогенератором, вход которого подключен к выходу винтового компрессора, а выход газогенератора подключен к входу блока подготовки газа.
Одним из недостатков установки является тяжелый запуск газогенератора. Это вызывается следующими причинами:
- воздух после первой ступени компримирования подается в газогенератор при температуре не выше температуры воздуха в нагнетательном коллекторе компрессора;
- температура внутри камеры сгорания и на входе в теплообменник на момент запуска равна температуре окружающей среды.
В результате чего в момент запуска газогенератора (особенно при значительных отрицательных температурах окружающей среды) значительная часть топлива попадает в камеру сгорания в виде мелкодисперсного распыла (жидкостная фаза), оседая при этом на стенках камеры и на входе в теплообменник, не успев испариться для образования паровоздушной горючей смеси. Как следствие, в момент запуска происходит частое заливание камеры сгорания топливом, нарушение стехиометрического соотношения, неустойчивое горение на начальном этапе, срыв пламени. В процессе работы газогенератора в результате нестабильности работы последнего возможны следующие ситуации:
1) коксование остатков продуктов горения - как следствие нарушения теплоотдачи стенок камеры сгорания и выход из строя последней;
2) перегрев наружной стенки газогенератора, выход из строя последнего (и как возможный вариант - разогрев последней до температуры самовоспламенения попутного нефтяного газа, выброс которого не исключен в процессе выполнения технологической операции).
Еще одним недостатком следует считать необходимость затрачивать значительные мощности на рассеивание в окружающую среду большого количества тепла, выделяющегося вследствие работы газогенератора.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Для этой цели предлагается использовать неиспользуемый до сих пор ресурс - энергию выхлопных газов теплового двигателя, приводящего установку.
Как известно, температура выхлопных газов дизельного двигателя составляет около 400°С, что вполне достаточно для испарения топлива и образования паровоздушной горючей смеси. Тем самым появляется возможность использовать горячие выхлопные газы для увеличения температуры воздуха на участке между компрессором и камерой сгорания газогенератора. Если учесть, что количество выхлопных газов, «вырабатываемых» двигателем в несколько раз больше количества компримируемого компрессором воздуха, можно ожидать значительного увеличения температуры компримируемого воздуха. Температура воздуха после передачи последнему тепла выхлопных газов двигателя должна превысить температуру воспламенения топлива, которая, например, для дизельного топлива согласно ГОСТу 305-82 находится в пределах 100-119°С, в зависимости от марки топлива. Тем самым будет обеспечиваться такое испарение топлива (а значит, и образование горючей газовоздушной смеси), при котором после его воспламенения от источника зажигания обеспечивается устойчивое горение.
Вследствие теплообмена температура воздуха возрастет, а температура выхлопных газов двигателя уменьшится. В то же время полученная температура выхлопных газов будет ниже температуры газа, образовавшегося в камере сгорания в результате сгорания топлива и выжигания тем самым кислорода из воздуха (температура сгорания топлива приблизительно 1700°С, варьируясь в зависимости от вида и марки топлива). Поэтому охлажденные выхлопные газы двигателя могут быть использованы для снижения (хотя бы первоначального и частичного) температуры газов, образовавшихся вследствие сгорания топлива в газогенераторе и имеющих поэтому значительную температуру.
Поставленная задача решается в предлагаемом способе работы газогенератора устройством генерации и компрессирования инертного газа.
Способ заключается в сжатии воздуха в компрессоре первой ступени и нагнетании последнего в камеру сгорания газогенератора, сжигании в стехиометрическом соотношении вышеозначенного воздуха с топливом в камере сгорания, охлаждении получившегося в результате выжигания кислорода из воздуха инертного по отношению к углеродной среде газа в теплообменном аппарате системы подготовки газов, направлении последнего на газовый вход газобустерного насоса, дожатии инертного газа при помощи проточного жидкостного поршня в камере газобустерного насоса и направлении последнего к потребителю в составе газожидкостной смеси.
Непосредственно сжигание топлива в камере сгорания происходит следующим образом.
Двигатель внутреннего сгорания приводит в движение компрессор первой ступени, который забирает воздух из атмосферы и через теплообменник, расположенный между компрессором и камерой сгорания газогенератора, нагнетает воздух в вышеозначенную камеру сгорания.
В газовый контур теплообменника подводятся выхлопные газы вышеуказанного приводного двигателя внутреннего сгорания. В теплообменнике выхлопные газы передают тепловую энергию нагнетаемому воздуху, снижая при этом свою температуру.
В камеру сгорания одновременно с подогретым воздухом подается топливо (преимущественно в виде жидкостного мелкодисперсного распыла). Ввиду того что температура прошедшего через теплообменник воздуха будет выше температуры воспламенения топлива, топливо быстро испарится. Образовавшаяся при этом газовоздушная смесь обеспечит устойчивое сгорание паров топлива (например, дизельного). При этом оптимальный температурный режим на внутренней поверхности стенок камеры сгорания (как результат исключение конденсации паров топлива при запуске и отвод излишков тепла в процессе работы) газогенератора обеспечивается за счет подвода охлажденного выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания в газовый теплообменник, расположенный на корпусе газогенератора.
В результате сгорания топлива в камере сгорания газогенератора произойдет «выжигание» кислорода из воздуха и снижение процентного содержания его в воздухе до безопасного уровня, соответствующего условиям обеспечения взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами.
В результате сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания газогенератора образуется большое количество тепла, которое необходимо погасить - рассеять в окружающей среде. Как было отмечено выше, температура выхлопных газов приводного двигателя будет ниже температуры газа, образовавшегося в камере сгорания в результате сгорания топлива и выжигания тем самым кислорода из воздуха. После того как выхлопные газы частично отдадут свое тепло нагнетаемому воздуху, их температура еще снизится. Появляется возможность использовать выхлопные газы приводного двигателя для снижения (хотя бы первоначального и частичного) температуры газов, образовавшихся вследствие сгорания топлива в газогенераторе и имеющих поэтому значительную температуру.
Дополнительно это дает тот эффект, что наиболее горячие стенки камеры сгорания и газогенератора будут находиться в среде выхлопного газа и контакт этих стенок с возможным горючим газом (например, попутным нефтяным газом в момент выброса) будет исключен.
Для дополнительного повышения эффективности использования энергии выхлопных газов после теплообменника газогенератора выхлопной газ, дополнительно разогретый в вышеозначенном теплообменнике, может быть использован в любом устройстве для утилизации их внутренней энергии, известном из предшествующих уровней техники, например в эжекционной системе охлаждения системы подготовки газа, а также дальнейшим направлением горячей смеси выхлопных газов и воздуха для технологических целей, в том числе для подогрева емкостей для жидкости и технологических трубопроводов в зимнее время.
В дальнейшем охлажденные инертные газы, выработанные газогенератором, отправляются по технологической цепочке, например на газовый вход газобустерного насоса-компрессора.
Способ реализуется в установке генерации и компрессирования инертного газа. Установка содержит компрессор первой ступени, двигатель внутреннего сгорания, газогенератор с теплообменником, систему поддержания стехиометрического соотношения расходов воздуха и топлива с агрегатами регулирования, блок подготовки газа. Выход блока подготовки газа подключен газовой магистралью к газовому входу газобустерного насоса и далее к потребителю инертного газа высокого давления.
Дополнительно устройство включает в себя газовоздушный теплообменный аппарат.
При этом воздушный канал (первый контур) вышеозначенного теплообменного аппарата с одной стороны соединен с нагнетательным выходом компрессора первой ступени, а с другой - с воздушной полостью камеры сгорания газогенератора. Газовый канал вышеозначенного теплообменного аппарата (второй контур) с одной стороны соединен с выхлопным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а с другой - с газовым каналом газового теплообменника газогенератора и далее с атмосферой.
На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Основными элементами являются:
1) компрессор первой ступени;
2) двигатель внутреннего сгорания (в транспортном положении - ходовой двигатель транспортного шасси, в рабочем положение - как двигатель привода установки, так и совместно двигатель привода установки + ходовой двигатель);
3) газогенератор;
4) блок подготовки газа;
5) газовая магистраль;
6) газобустерный насос;
7) топливный насос;
8) линия подачи топлива;
9) нагнетательная воздушная магистраль компрессора первой ступени;
10) выхлопной коллектор ДВС;
11) газовоздушный теплообменный аппарат;
12) газовый теплообменник газогенератора.
С целью наиболее полного использования энергии выхлопных газов установка с воздушной системой охлаждения в системе подготовки газа может быть дополнительно оснащена, например, следующими узлами:
13) воздушным теплообменником блока подготовки инертного газа;
14) камерой смешивания;
15) диффузором;
16) эжекторным патрубком с сужающейся насадкой;
17) приемной камерой;
18) центробежным компрессором системы охлаждения.
Принцип работы установки заключается в следующем:
Компрессор первой ступени 1 производит нагнетание воздуха с заданным избыточным давлением по нагнетательной воздушной магистрали 9 в камеру сгорания газогенератора 3, при этом воздух на участке между компрессором первой ступени и камерой сгорания газогенератора проходит через газовоздушный теплообменный аппарат 11, газовый канал которого соединен с выхлопным коллектором ДВС 10. При этом в качестве ДВС 2 выступает приводной двигатель установки. Температура воздуха после передачи последнему тепла выхлопных газов двигателя должна превысить температуру воспламенения топлива. Далее охлажденный выхлопной газ поступает в газовый теплообменник газогенератора 12, где в предпусковом режиме разогревает стенки камеры сгорания газогенератора, исключая возможность конденсации топлива на последних, а после выхода газогенератора на рабочий режим (за счет более низкой температуры выхлопных газов по сравнению с температурой газов в газогенераторе) снимает излишки тепла. При этом количество выхлопного газа, проходящее через газовый теплообменник, может регулироваться за счет, например, дросселирования (не показано) с целью обеспечения оптимального режима работы газогенератора (исключения перегрева стенок камеры сгорания с одновременным обеспечением полного выгорания отложений продуктов сгорания на последних). Таким образом в камере сгорания газогенератора будет обеспечиваться такое испарение топлива, при котором после его воспламенения от источника зажигания будет обеспечиваться устойчивое горение. В ту же камеру сгорания газогенератора 3 по линии подвода топлива 8 подается топливным насосом 7 топливо. В камере с помощью смесительных элементов (не показаны) происходит их перемешивание. После этого системами розжига (не показаны) топливо поджигается и происходит его сгорание. Далее инертный газ поступает в блок подготовки газа 4, где его физико-химические свойства доводятся до оптимальных любыми известными из уровней способами. После этого газ поступает в ступень нагнетания сред высокого давления (газобустерный насос 6), где газы окончательно сжимаются и направляются потребителю в составе газожидкостных смесей.
После выхода из газового теплообменника газогенератора выхлопной газ можно использовать, например, в эжекционной системе охлаждения в случае оборудования блока подготовки инертного газа воздушным теплообменником 13, так как после прохождения вышеозначенного газового теплообменника 12 выхлопной газ будет иметь значительную внутреннюю энергию, что позволит значительно увеличить мощность эжектирующей струи. С этой целью выход воздушного теплообменника блока подготовки инертного газа оборудуется приемной камерой 17, камерой смешивания 14 и диффузором 15. Выхлопной газ поступает в камеру смешивания через эжекторный патрубок с сужающей насадкой 16. При этом в приемной камере образуется разрежение, обеспечивающее подсасывание воздуха из системы охлаждения, что позволит без затрат механической энергии осуществить циркуляцию воздуха. При необходимости подобная система может быть дополнительно оснащена любым известным устройством или системами охлаждения, например центробежным компрессором системы охлаждения (обозначен как 18).
В случае монтажа установки на самоходном шасси целесообразно в зимнее время в выхлопной коллектор подключить выхлопную систему шасси, что позволит по прибытии к месту выполнения технологической операции иметь прогретую систему.
Таким образом, реализация предлагаемого способа работы газогенератора и установка для его осуществления позволит создать технологический комплекс оборудования с высоким уровнем эксплуатационных параметров.
Предлагаемый способ и устройство позволяют обеспечить упрощенный запуск газогенератора (что особенно критично в зимнее время года), оптимизировать температурный режим на стенках камеры сгорания и обеспечить минимальный расход топлива для подержания стехиометрического выжигания кислорода из воздуха.