КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И ЖИДКИХ ОТХОДОВ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ
COMBINED POWER PLANT FOR DISPOSAL OF ASSOCIATED OIL GAS AND LIQUID WASTES OF OIL PROCESSING

Изобретение относится к электрическим установкам, в которых применяются комбинированные (бинарные) циклы для производства электрической энергии.
Известно, что стоимость производства электрической энергии в удаленных регионах России и на месторождениях добычи нефти в 20-30 раз превосходит стоимость электроэнергии в центральных районах России. Это связано с тем, что дизельное топливо для автономных электростанций приходится завозить в так называемый период «северного завоза» за несколько тысяч километров от мест его использования. В результате стоимость транспортировки дизельного топлива превышает в 3-4 раза стоимость самого топлива. Этим обуславливается актуальность и необходимость развития технологий производства электроэнергии на месторождениях нефти за счет использования местных видов топлива. (Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. Сжиженный природный газ шельфовых месторождений как альтернатива «северному завозу» традиционных видов топлива. //Газовая промышленность, спецвыпуск, 2011, стр.71-76). В качестве местного топлива наиболее экономически выгодно использовать попутный нефтяной газ, сжигаемый в настоящее время в факелах.
Известно, что основными источниками загрязнения природной среды при добыче нефти являются попутный нефтяной газ, а также жидкие производственно-технологические отходы бурения и нефтепереработки, в составе которых присутствуют нефть и нефтепродукты, химические реагенты различной степени токсичности, растворимые минеральные соли и другие опасные вещества. Поэтому особую значимость приобретают вопросы охраны окружающей среды, а именно своевременная качественная утилизация попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки (Патент РФ на полезную модель №106339, опубл. 10.07.2011).
Известно устройство факельной установки, предназначенное для полного сжигания углеводородов в атмосфере, которое может быть использовано для безотходной утилизации попутных нефтяных газов на нефтепромыслах и производствах (Патент РФ №2213302, опубл. 27.09.2003 г.). Однако сжигание попутного газа без использования теплоты сгорания газа является достаточно неэффективным способом утилизации попутного газа.
Известен способ термопереработки отходов бурения и нефтепереработки за счет сжигания попутных нефтяных газов (Патент РФ №2242493, опубл. 20.12.2004). Однако данный способ не предусматривает производство электроэнергии за счет сжигания нефтешламов и попутных нефтяных газов.
Известны устройства паровых котлов малой и средней производительностью с давлением пара от 0,9 до 40 МПа. Данные котлы предназначены для получения пара для различных технологических нужд и могут быть выполнены как в стационарном, так и в транспортном варианте. (Парогенераторы: Учебник для вузов./Ковалев А.П. и др. -М.: Энергоатомиздат, 1985, стр.291-297). Однако данные котлы снабжены традиционными горелочными устройствами, которые не могут быть использованы для сжигания попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки.
Известна циклонно-вихревая топка для сжигания недожога топливно-воздушной смеси, содержащая цилиндрическую камеру сгорания с тангенциальными соплами подачи топлива и воздуха и аксиальным выходным окном для дымовых газов (Авторское свидетельство СССР №1241020, бюл. №24 от 30.06.86). Однако данная циклонно-вихревая топка предназначена только для нейтрализации недожога топливно-воздушной смеси и не может быть использована для сжигания попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки.
Известна циклонно-вихревая топка для сжигания мелкодисперсных сред, включающая в себя горизонтальную цилиндрическую футерованную камеру сгорания с воздушной рубашкой, воздух в которую подается через тангенциально присоединенный патрубок, внутреннюю цилиндрическую вставку с выходным окном, образующую с боковой поверхностью камеры сгорания кольцевой канал, и горелочное устройство (Авторское свидетельство №1218245, бюл. №10 от 15.03.86).
Известно устройство энергетической установки, содержащей заполненный низкокипящим рабочим веществом замкнутый циркуляционный контур, в который последовательно включены солнечный парогенератор, паровая турбина, кинематически соединенная с электрогенератором, и конденсатор, в котором в качестве греющей среды используется солнечная энергия (Патент РФ на полезную модель №9901, опубл. 16.05.1999). Однако данная энергетическая установка может работать только периодически, например, только в дневное время суток при солнечной энергии.
Известно устройство паротурбинной установки бинарного цикла, содержащей взаимосвязанные между собой разомкнутый паровой контур, включающий в себя добычную скважину для подачи пароводяной смеси геотермальных источников, сепаратор, паровую турбину, насос и нагнетательную скважину, и замкнутый контур с низкокипящим веществом, который состоит из теплообменника предварительного нагрева низкокипящего вещества, парогенератора, турбины, соединенной валом с электрогенератором, конденсатора и насоса для подачи конденсата в парогенератор, при этом для нагрева низкокипящего вещества в теплообменнике предварительного нагрева и парогенераторе используется пароводяная смесь геотермальных источников из разомкнутого парового контура. Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие вещества, которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах. В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др. (Манушин Э.А., Бирюков В.В. Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений Камчатского края. //Инженерное образование, №09, 2011). Однако использование разомкнутого парового контура с пароводяной смесью геотермальных источников ограничивает область применения паротурбинной установки только районами с наличием геотермальных источников.
Известна комбинированная энергетическая установка, содержащая пароводяной контур и замкнутый контур с низкокипящим веществом, каждый из которых включает в себя парогенератор, турбину, соединенную валом с электрическим генератором, конденсатор и насос для подачи конденсата в парогенератор, при этом паровой контур проходит через парогенератор контура с низкокипящим веществом (Патент РФ №2041363, опубл. 09.08.1995). Однако устройство данной комбинированной энергетической установки не позволяет использовать попутный нефтяной газ и жидкие отходы нефтепереработки для выработки электроэнергии на местах добычи нефти, поскольку парогенератор данной энергетической установки выполнен в виде теплообменника.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в повышении эффективности сжигания попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки за счет их горения при высоких температурах в турбулентном режиме, снижении стоимости получения электрической энергии и улучшении экологической обстановки за счет использования попутного нефтяного газа в качестве дешевого местного вида топлива, а также снижении стоимости монтажа за счет размещения агрегатов энергетической установки в стандартных транспортных контейнерах заводского исполнения в местах добычи и переработки нефти.
Для достижения данного технического результата комбинированная энергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки, содержащая пароводяной контур и контур с низкокипящим веществом, каждый из которых включает в себя парогенератор, турбину, соединенную валом с электрогенератором, конденсатор и насос для подачи конденсата в парогенератор, при этом пароводяной контур проходит через парогенератор контура с низкокипящим веществом, снабжена парогенератором пароводяного контура, выполненным в виде парового котла, горелочное устройство которого заменено циклонно-вихревой топкой, содержащей газовую горелку, канал подачи воздуха с компрессором, канал подачи попутного нефтяного газа, канал подачи жидких отходов нефтепереработки и систему нейтрализации кислотных соединений продуктов горения, при этом воздух, попутный газ и жидкие отходы нефтепереработки подводятся к топке тангенциально, контур с низкокипящим веществом перед парогенератором снабжен дополнительным подогревателем, через который проходит пароводяной контур, турбины пароводяного контура и контура с низкокипящим веществом размещены на одном валу с электрогенератором, при этом все агрегаты комбинированной энергетической установки размещены в стандартных транспортных контейнерах заводского изготовления.
Введение в состав комбинированной энергетической установки для утилизации попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки, парогенератора пароводяного контура, выполненного в виде парового котла с циклонно-вихревой топкой, которая снабжена газовой горелкой, компрессором для подачи воздуха, каналом подачи попутного газа, каналом подачи жидких отходов нефтепереработки и системой нейтрализации кислотных соединений, при этом воздух, попутный газ и жидкие отходы нефтепереработки подводятся к топке тангенциально, а также расположение всех агрегатов комбинированной энергетической установки в стандартных транспортных контейнерах заводского изготовления, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности, как отдельного сжигания попутного нефтяного газа, так и одновременного сжигания попутного нефтяного газа и термической переработки жидких отходов нефтепереработки для выработки дешевой электрической энергии и улучшения экологической обстановки в местах добычи и переработки нефти, а также снижение трудоемкости монтажа за счет использования уже смонтированных агрегатов комбинированной энергетической установки в стандартных транспортных контейнерах заводского изготовления.
На фиг.1 изображена комбинированная энергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки.
Комбинированная энергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки представляет собой контейнер 1 заводского изготовления, внутри которого расположены агрегаты замкнутого пароводяного контура 2 и замкнутого контура 3 с низкокипящим веществом.
Пароводяной контур 2 включает в себя парогенератор, выполненный в виде парового котла 4. Котел 4 снабжен циклонно-вихревой топкой 5, которая включает в себя газовую горелку 6, канал подачи воздуха с компрессором 7, канал 8 подачи попутного газа, канал подачи жидких отходов нефтепереработки 11, при этом воздух, попутный газ и жидкие отходы нефтепереработки подводятся к топке 5 тангенциально, а также паровую турбину 9 и насос 10 для перекачки конденсата (воды). Циклонно-вихревая топка 5 имеет систему нейтрализации кислотных соединений продуктов горения 20 с баком раствора щелочи (например, соды) 12.
Замкнутый контур 3 с низкокипящим веществом включает в себя парогенератор 13, дополнительный теплообменник 14, воздушный конденсатор 15, паровую турбину 16 и насос 17 для перекачки конденсата низкокипящего вещества. Дополнительный теплообменник 14 контура 3 одновременно является конденсатором для пара пароводяного контура 2.
Пароводяной контур 2 последовательно проходит через парогенератор 13 и дополнительный теплообменник 14 контура 3 с низкокипящим веществом.
Паровая турбина 9 пароводяного контура 2 и паровая турбина 16 контура 3 с низкокипящим веществом соединены валом 18 с электрогенератором 19 (турбина 9, турбина 16 и электрогенератор 19 расположены на одном валу).
В качестве низкокипящего вещества в контуре 3 используется изобутан. Вспомогательное оборудование, средства управления и автоматизации энергетической установки размещены в других контейнерах.
Комбинированная энергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа и жидких отходов нефтепереработки работает следующим образом.
Установка может работать в двух режимах.
Первый режим осуществляется в отсутствии жидких отходов нефтепереработки, когда необходима только утилизация попутного нефтяного газа. Первоначально запускают в работу горелку 6, которая работает на традиционном топливе и разогревает до высокой температуры внутреннюю поверхность топки 5. Одновременно в топку 5 компрессором 7 тангенциально подается воздух для поддержания процесса горения.
Затем в циклонно-вихревую топку 5 по тангенциально присоединенному каналу 8 подают попутный нефтяной газ. Попутные нефтяные газы в циклонно-вихревой топке 5 за счет действия центробежных сил при поступательном движении вращающегося потока начинают сгорать в турбулентном режиме при высоких температурах. Это обеспечивает качественное и полное сгорание попутных газов, уменьшает концентрацию вредных компонентов в отработанных газах и повышает экологическую чистоту сжигания попутного газа.
После получения процесса устойчивого горения попутных нефтяных газов, горелка 6 отключается. Отработанные высокотемпературные газы от горения попутных нефтяных газов поступают в котел 4 для нагрева воды и образования пара.
Второй режим осуществляется при наличии жидких отходов нефтепереработки, когда происходит одновременное сжигание попутного нефтяного газа и термическая переработка жидких отходов нефтепереработки.
Для осуществления этого режима подача и сжигание попутного газа в циклонно-вихревой топке 5 осуществляется аналогично, как и в первом режиме. Но в этом режиме дополнительно в топку 5 по каналу 11 подаются жидкие отходов нефтепереработки. При попадании жидких отходов нефтепереработки на раскаленную внутреннюю поверхность топки 5, а также за счет горения попутного газа происходит термическая переработка жидких отходов нефтепереработки и выделяется дополнительная теплота для нагрева и испарения воды в котле 4.
Для нейтрализации кислотных соединений продуктов горения попутного газа и жидких отходов нефтепереработки в топку 5 из бака 12 системы нейтрализации 20 подается дозированный раствор щелочи (например, соды).
В дальнейшем, как в первом, так и во втором режимах происходят аналогичные операции.
В котле 4 от теплоты сгорания попутных нефтяных газов и жидких отходов нефтепереработки происходит нагрев и испарение воды. Из парового котла 4 пар под давлением поступает в турбину 9, где, расширяясь, вращает турбину 9. Вращение от турбины 9 через вал 18 передается электрогенератору 19, где вырабатывается электрическая энергия.
После турбины 9 пар поступает в парогенератор 13 контура 3, где частично охлаждается, передавая тепло изобутану, затем водяной пар конденсируется в дополнительном теплообменнике 14 контура 3 и насосом 10 конденсат подается в паровой котел 4.
Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в добавочную механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом изобутановом контуре 3.
Изобутан контура 3 в дополнительном теплообменнике 14 предварительно нагревается от теплоты конденсации паров воды, затем поступает в парогенератор 13, где полностью испаряется и перегревается с повышением давления. Из парогенератора 13 пары изобутана под давлением поступает в турбину 16, где, расширяясь, вращает турбину 16. Вращение от турбины 16 через вал 18 передается электрогенератору 19, где вырабатывается электрическая энергия.
После турбины 16 пар поступает в воздушный конденсатор 15, где охлаждается и конденсируется за счет теплообмена с атмосферным воздухом, затем конденсат изобутана насосом 17 подается в дополнительный теплообменник 14.
Предлагаемая комбинированная энергетическая установка позволяет в целом преобразовывать энергию газообразных и жидких углеводородов в водяной и изобутановый пар и далее в электроэнергию с высоким к.п.д. за счет глубокого использования потенциала теплоносителей в диапазоне температур от 300 до 20 градусов Цельсия.
Источники информации
1. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. Сжиженный природный газ шельфовых месторождений как альтернатива «северному завозу» традиционных видов топлива. //Газовая промышленность, спецвыпуск, 2011, стр.71-76.
2. Патент РФ на полезную модель №106339, опубл. 10.07.2011.
3. Патент РФ №2213302, опубл. 27.09.2003 г.
4. Патент РФ №2242493, опубл. 20.12.2004.
5. Парогенераторы: Учебник для вузов./Ковалев А.П. и др. - М.: Энергоатомиздат, 1985, стр.291-2976. Авторское свидетельство СССР №1241020, бюл. №24 от 30.06.86.
6. Авторское свидетельство СССР №1241020, бюл. №24 от 30.06.86.
7. Авторское свидетельство №1218245, бюл. №10 от 15.03.86.
8. Патент РФ на полезную модель №9901, опубл. 16.05.1999.
9. Манушин Э.А., Бирюков В.В. Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений камчатского края. //Инженерное образование, №09, 2011.
10. Патент РФ №2041363, опубл. 09.08.1995 - прототип.