ГЕНЕРАТОР УЛЬТРА-СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО АГЕНТА
ULTRA-SUPERCRITICAL WORKING AGENT GENERATOR

Изобретение относится к оборудованию для нефтегазовой промышленности и может быть использовано для генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, инжектируемого в нефтекерогеносодержащие пласты для повышения их нефтеотдачи и внутрипластовой генерации синтетических углеводородов.
1
2a
2b
В настоящее время на территории России открыты месторождения углеводородов (в частности, баженовская и доманиковая свиты), основной углеводородный потенциал которых заключен не в подвижной нефти плотных пород (НПП) (S), а в малоподвижной и/или неподвижной битуминозной нефти (S) и в неподвижном керогене (S).
Комплексное освоение таких месторождений предполагает использование термохимического воздействия рабочими агентами на их продуктивные пласты для внутрипластовой генерации синтетических углеводородов из керогена и битуминозной нефти, а также для частичного внутрипластового улучшения качества и интенсификации добычи содержащейся в их продуктивных пластах НПП. При использовании термохимического воздействия в продуктивных нефтекерогеносодержащих пластах в результате, преимущественно, пиролиза/гидропиролиза, генерируются синтетические углеводороды как в жидкой, так и в газообразной формах.
Как показали исследования, осуществление процесса внутрипластового пиролиза/гидропиролиза, или, иначе, внутрипластового ретортинга, как более общего понятия, а также реэнергизация и увеличение проницаемости продуктивных пластов, могут быть осуществлены за счет инжектирования в них рабочего агента, параметры которого (температура (Т) и давление (Р)) обеспечивают нагрев продуктивных пластов до температуры от 400°С до 480°С. Для достижения этого результата, с учетом тепловых транспортных потерь, которые неизбежно возникают при доставке рабочего агента с дневной поверхности скважины в ее подпакерную зону, необходимо чтобы наземное оборудование генерировало рабочий агент с температурой от 600 до 800°С и давлением от 30 до 60 МПа.
Генерируемый с такими рабочими параметрами рабочий агент на дневной поверхности скважины находится в ультра-сверхкритическом состоянии. Термин «ультра-сверхкритическая вода» (УСК-вода) используется в технической литературе [1] и техническими специалистами для обозначения проектных режимов работы устройств с параметрами выше тех, которые принято называть «сверхкритическими». В теплоэнергетике типичный диапазон сверхкритических параметров находится в диапазоне от 245 до 285 бар при температуре от 540 до 630°С. Американский Исследовательский Институт Электроэнергетики (ERPI) называет ультра-сверхкритическими такие «паровые циклы», где «пар» прогревается до температуры более 593°С при давлении более 280 бар [1]. В заявленном изобретении под термином «ультра-сверхкритический рабочий агент» понимается рабочий агент (пароводяная смесь), имеющий температуру от 593 до 800°С и давление от 30 до 60 МПа.
Для генерации рабочих агентов широкого спектра назначения, в том числе и закачиваемого в скважины, используется довольно широкая гамма оборудования.
Так, например, известен прямоточный котел-утилизатор, содержащий вертикально ориентированный корпус с присоединенным к его нижней части коллектором для подачи в полость корпуса теплоносителя и отводным коллектором в его верхней части для отвода отработанного теплоносителя из полости корпуса.
Внутри корпуса последовательно, по ходу потока теплоносителя, смонтированы два не связанных между собой змеевиковых пакета нагревательных теплообменных труб, один из пакетов предназначен для выработки рабочего агента - пара высокого давления, а другой - для выработки рабочего агента - пара низкого давления. Каждый из змеевиковых пакетов оснащен входным смесительным коллектором для подачи питательной воды и выходным смесительным коллектором для отвода рабочего агента - сгенерированного пара.
Каждый из змеевиковых пакетов состоит из экономайзерного участка и испарительно-пароперегревательного участка (ИППУ), при этом экономайзерные участки пакетов расположены по отношению к ходу газов за соответствующими ИППУ, а трубы каждого змеевикового пакета, соединяющие участки, образуют петлю с вынесенным за пределы корпуса опускным участком и расположенным внутри него подъемным участком, при этом экономайзерные участки, опускные участки и подъемные участки разделены промежуточными смесительными коллекторами.
В процессе работы котла во входные смесительные коллекторы, посредством питательных насосов, подается питательная вода, которая в каждом змеевиковом пакете проходит вначале экономайзерный участок, затем подогретая в экономайзерном участке вода последовательно через опускной участок и подъемный участок, поступает в ИППУ для выработки пара. Выработанный в ИППУ рабочий агент - пар высокого и низкого давлений из выходных смесительных коллекторов направляется потребителям.
(см. патент РФ на полезную модель №89666, кл. F22 B1/18, 2009).
В результате анализа выполнения данного котла необходимо отметить, что введение в пакеты трубных петель с неохлаждаемыми опускными и обогреваемыми подъемными участками позволяет обеспечить надежную гидравлическую устойчивость ИППУ без необходимости переноса экономайзерного участка поверхностей нагрева в высокотемпературную зону, что повышает эффективность нагрева, способствуя повышению КПД котла.
Однако объединение в контуре одного пакета испарительного и пароперегревательного процессов парообразования не позволяет получить перегретый пар высоких температуры и давления, близких к сверхкритическим параметрам даже в нижнем змеевиковом пакете, где температура теплоносителя достаточно велика, и, тем более, такой рабочий агент - пар невозможно получить в верхнем змеевиковом пакете.
Известен прямоточный парогенератор вертикальной компоновки, содержащий корпус, к нижней части которого подведен канал подачи теплоносителя, например, отходящих дымовых газов работающей газотурбинной установки. Отвод теплоносителя осуществляется через канал в верхней части корпуса.
В полости корпуса смонтирован пароводяной контур в виде пучков (пакетов) нагревательных теплообменных труб, образующих три последовательно соединенные между собой секции- подогревательную (экономайзерную), испарительную и перегревательную.
Подогревательная секция смонтирована в верхней части корпуса и оснащена на входе входным коллектором, к которому подведена линия подачи питательной воды. На выходе подогревательной секции имеется выходной коллектор, который является входным коллектором включенной после подогревательной секции испарительной секции, расположенной в средней части корпуса. Для достижения стабильного режима работы испарительной секции на ее входе расположено дроссельное устройство, выполненное в виде дросселя на входе каждой нагревательной трубы, за счет которого достигается повышенная потеря давления в широком диапазоне нагрузки в испарительной секции.
В области изгиба испарительной секции предусмотрен уравнивающий давление коллектор в форме относительно тонкой трубы для соединения с отверстием каждой нагревательной трубы испарительной секции. На стороне выхода нагревательные трубы испарительной секции входят в выходной коллектор, который через паропровод подключен к пусковому баллону. Подключение паропровода предусмотрено на стороне пара на головном конце пускового баллона, на котором подключен другой паропровод, соединенный с входным коллектором перегревательной секции, к выходному коллектору которой подключен паропровод для отвода сгенерированного рабочего агента потребителю.
При работе парогенератора, питательная вода подается через линию питательной воды на входной коллектор подогревательной секции, проходя по нагревательным трубам которой подогревается до заданной температуры теплоносителем, пропускаемым через полость корпуса.
С выходного коллектора подогревательной секции подогретая вода поступает через дроссели в нагревательные трубы испарительной секции, дроссели которой обеспечивают практически во всем диапазоне нагрузки повышенную потерю давления в испарительной секции.
Полученный в испарительной секции пар на выходе в выходном коллекторе и в подключенном к нему паропроводе в каждой рабочей точке является слегка перегретым. Таким образом, в перегревательную секцию не могут попадать никакие капли воды. За счет этого надежно исключаются повреждения на поверхностях нагрева перегревательной секции вследствие недопустимых температурных градиентов. Произведенный в испарительной секции пар поступает непосредственно в перегревательную секцию для дальнейшего перегрева и оттуда в перегретом состоянии в качестве рабочего агента - главного пара или свежего пара направляется потребителю.
(см. патент РФ №2193726, кл. F22B 1/18, 2002).
В результате анализа известного парогенератора необходимо отметить, что его конструкция обеспечивает получение пара в критическом или сверхкритическом диапазоне с обеспечением стабильного гидродинамического режима работы во всех областях нагрузок.
Однако относительное расположение в полости корпуса секций сверху вниз (подогревательная - испарительная - перегревательная) не позволяет обеспечить надежную работу данного парогенератора вследствие высокой вероятности перегрева нижних труб перегревательной секции, что не позволяет получать рабочий агент высокой температуры (выше 600°С). Наличие дополнительных элементов (дросселей, соединительных трубок и пр.) также снижает надежность работы данного оборудования.
Известен модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, содержащий корпус, в котором смонтированы соединенные друг с другом посредством коллекторов генерирующие рабочий агент секции, образующие пароводяной контур, а именно, первая секция нагревателя, вторая секция нагревателя и перегревательная секция, каждая из которых выполнена в виде пакета нагревательных теплообменных труб, причем первая секция нагревателя оснащена входным коллектором, имеющим возможность соединения с линией подачи питательной воды, а перегревательная секция оснащена выходным коллектором, имеющим возможность соединения с потребителем сгенерированного ультра-сверхкритического рабочего агента. Модуль оснащен блоком выработки теплоносителя, расположенным в нижней части корпуса, первая секция нагревателя расположена в верхней части корпуса, перегревательная секция - в средней, а вторая секция нагревателя - в нижней части корпуса, причем выход первой секции нагревателя посредством соединительного коллектора связан с входом второй секции нагревателя, выход которой посредством соединительного коллектора связан с входом перегревательной секции.
(см. патент РФ на полезную модель №189433, кл. Е21В 43/24, 2019) - наиболее близкий аналог.
2
В результате анализа выполнения известного модуля необходимо отметить, что он, в отличие от приведенных выше устройств, обеспечивает генерацию ультра-сверхкритического рабочего агента. Однако использование в конструкции модуля для генерации рабочего агента только одного теплоносителя в виде топочных газов, который обладает низкой теплоотдачей (теплоотдача топочных газов, как правило, не превышает 50 Вт/м*К) приводит в значительным временным затратам в процессе разогрева рабочего агента до температуры от 600 до 800°С в модуле генерации ультра-сверхкритического рабочего агента. Кроме того, для достижения такой температуры нагрева рабочего агента, необходимо значительно увеличить площадь теплообменной поверхности, то есть, использовать в перегревательной секции нагревательные трубы значительной длины и в большем количестве, что значительно увеличивает массогабаритные характеристики модуля.
Учитывая, что примерно, треть теплообменных труб модуля приходится на теплообменные трубы перегревательной секции, которые выполнены из сплава Инконель-617 или Инконель-740Н, стоимость которых, в зависимости от диаметра, толщины стенки и объема поставки колеблется в пределах от 70 до 130 тысяч долларов США за тонну, стоимость изготовления известного модуля весьма велика.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение КПД и производительности генератора, а также снижение его массогабаритных характеристик за счет обеспечения более эффективного разогрева перегревательной секции, а также за счет более эффективного использования теплоносителя - топочных газов.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в генераторе ультра-сверхкритического рабочего агента, содержащем первый теплогенерирующий модуль, в нижней части корпуса которого размещено устройство выработки теплоносителя, над которым в полости корпуса размещены первая, вторая и третья нагревательные секции, первая нагревательная секция размещена в верхней части корпуса и оснащена входным коллектором, имеющим возможность соединения с линией подачи питательной воды, вторая нагревательная секция расположена в нижней части корпуса непосредственно над устройством выработки теплоносителя, своим входом соединена с выходом первой секции, а выходом - с входом третьей нагревательной секции, размещенной в полости корпуса между первой и второй секциями, новым является то, что генератор оснащен вторым теплогенерирующим модулем, включающим устройство выработки теплоносителя, расположенное в нижней части корпуса данного модуля, перегревательную секцию, смонтированную в корпусе над устройством выработки теплоносителя герметичную емкость, в которой образован замкнутый циркуляционный канал, заполненный теплогенерирующим агентом, при этом, генератор дополнительно оснащен механизмом циркуляции теплогенерирующего агента, расположенным в циркуляционном канале, в котором также размещена перегревательная секция, ее вход соединен с выходом третьей секции первого теплогенерирующего модуля, а выход имеет возможность соединения с потребителем рабочего агента, при этом корпуса теплогенерирующих модулей могут быть состыкованы друг с другом посредством переходника и образуют единую полость, а в качестве теплогенерирующего агента может быть использован эвтектический сплав металлов или эвтектическая смесь неорганических солей.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами и таблицами, на которых:
- на фиг. 1 - схема генератора ультра-сверхкритического рабочего агента;
- таблица №1 - эвтектические смеси неорганических солей;
- таблица №2 - эвтектические сплавы металлов.
В описании приведенными ниже позициями обозначены следующие конструктивные элементы заявленного генератора.
1. Корпус первого теплогенерирующего модуля.
2. Магистраль подвода топлива к устройствам выработки теплоносителя первого и второго теплогенерирующих модулей.
3. Устройство выработки теплоносителя первого теплогенерирующего модуля.
4. Первая нагревательная секция первого теплогенерирующего модуля.
5. Входной коллектор первой нагревательной секции первого теплогенерирующего модуля.
6. Вторая нагревательная секция первого теплогенерирующего модуля.
7. Входной коллектор второй нагревательной секции первого теплогенерирующего модуля.
8. Выходной коллектор второй нагревательной секции первого теплогенерирующего модуля.
9. Третья нагревательная секция первого теплогенерирующего модуля.
10. Выходной коллектор первой нагревательной секции первого теплогенерирующего модуля.
11. Трубная линия, соединяющая выходной коллектор первой нагревательной секции с входным коллектором второй нагревательной секции.
12. Трубная линия, соединяющая выходной коллектор второй нагревательной секции с входным коллектором третьей нагревательной секции.
13. Входной коллектор третьей нагревательной секции первого теплогенерирующего модуля.
14. Выходной коллектор третьей нагревательной секции первого теплогенерирующего модуля.
15. Соединительная муфта.
16. Входной коллектор нагревательной (перегревательной) секции второго модуля.
17. Нагревательная (перегревательная) секция второго теплогенерирующего модуля;
18. Корпус второго теплогенерирующего модуля.
19. Переходник для стыковки корпусов 1 и 18;
20. Теплоноситель, генерируемый устройством 3.
21. Теплоноситель, генерируемый устройством 35.
22. Теплогенерирующий агент.
23. Поток теплоносителя, поступающего из полости корпуса 18 в полость корпуса 1.
24. Выходной коллектор нагревательной (перегревательной) секции второго теплогенерирующего модуля.
25. Герметичная емкость второго теплогенерирующего модуля.
26. Часть герметичной емкости.
27. Шнек шнекового насоса.
28. Приводной электродвигатель шнекового насоса.
29. Часть герметичной емкости.
30. Сгенерированный рабочий агент.
31. Линия подвода питательной воды.
32. Канал емкости 25.
33. Канал емкости 25.
34. Теплогенерирующий агент.
35. Устройство выработки теплоносителя второго теплогенерирующего модуля.
36. Шнековый насос.
37. Отдавшие свое тепло (охлажденные) топочные газы.
38. Канал для отвода охлажденных топочных газов.
Генератор ультра-сверхкритического рабочего агента выполнен в виде двух теплогенерирующих модулей, узлы и агрегаты первого из которых смонтированы в полости корпуса 1, а второго - в полости корпуса 18. Наиболее предпочтительно, чтобы корпуса 1 и 18 были состыкованы друг с другом, например, посредством переходника 19 и образовывали в состыкованном положении единую полость.
x
В нижней части корпуса 1 первого теплогенерирующего модуля смонтировано устройство 3 выработки теплоносителя. Данное устройство может быть выполнено различным известным образом. Так, оно может быть выполнено, например, в виде системы горелок или в виде металловолоконных горелочных элементов (Metal Fiber Burner (MFB). Металловолоконные горелочные элементы имеют горелочную поверхность, материалом которой является термостойкий сплав, например, FeCrAl, способный выдерживать высокую рабочую температуру, имеющий высокую стойкость к окислительным процессам. Характерной чертой данного типа горелок является небольшая высота пламени при работе в режиме «голубого пламени», низкие выбросы NO, а также возможность гибкого регулирования производительности.
2
Для компоновки генератора могут быть использованы горелки на основе высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ), выполненные из оксида циркония (пенокерамика - CrO), имеющего температуру плавления 1700°С или из карбамида кремния (пенокерамика - Si 66%+С 34%), имеющего температуру плавления 1500°С.
x
Для компоновки генератора также могут быть использованы горелки на основе проволочного проницаемого материала (ППМ) - металлорезины, разработанного в Лаборатории №1 Куйбышевского авиационного института и, производимого компанией ООО «РЕАМ-РТИ» (Россия). Результаты испытаний пластин ППМ показали перспективность их применения в горелочных устройствах благодаря высокой надежности, эффективности и экологичности, которые обеспечиваются особенностями структуры пластин ППМ: (1) упругость тела пластины практически снимает внутренние температурные напряжения как самой пластины, так и горелки в целом, которые свойственны жестким матрицам из-за неравномерного теплового расширения материала; (2) каналы, образованные проволочным материалом пластины, имеют переменное сечение, что способствует микродиффузионным процессам при смешении газа и воздуха и поверхностном горении; (3) возможность организации процесса горения при температурах до 850°С и обеспечения этим высокого ресурса материала горелочного устройства. Для инфракрасных горелочных устройств с горелочными элементами из ППМ могут быть использованы различные газовые топлива, включая природный метан, пропан-бутановые смеси, попутные газы, биогаз. Удельная мощность такого инфракрасного горелочного устройства на метане достигает 100 Вт/см рабочей поверхности горелки, диапазон регулирования мощности от 20 до 100%. КПД горелки от 96 до 98%. Выбросы по СО не более 35 ppm, а по NO не более 10 ppm.
В любом случае устройство 3 выработки теплоносителя выполнено известным для специалистов образом и его конструкция не является предметом патентной охраны.
В полости корпуса 1 над устройством 3 размещены нагревательные секции, предназначенные для постепенного нагрева прокачиваемой через них воды при генерации из нее рабочего агента. Каждая такая секция скомпонована в виде одного или нескольких пакетов теплообменных (нагревательных) труб.
Первая нагревательная секция 4 первого теплогенерирующего модуля по своему назначению выполняет функцию подогрева питательной воды до определенной рабочей температуры. Она размещена в верхней части корпуса 1, наиболее удаленной от устройства 3 выработки теплоносителя. Секция 4 оснащена на входе входным коллектором 5, имеющим возможность соединения с линией 31 подвода питательной воды, в которой установлен нагнетательный насос (не показан). На выходе данная секция оснащена выходным коллектором 10.
Вторая нагревательная секция 6 по своему назначению выполняет функцию донагрева среды (воды), поступающей из первой секции 4. Данная секция размещена в нижней части корпуса 1 и наиболее приближена к устройству 3 выработки теплоносителя. Секция 6 оснащена на входе входным коллектором 7, а на выходе - выходным коллектором 8.
Третья нагревательная секция 9 предназначена для генерации поступившего из секции 6 докритического рабочего агента в форме воды, находящейся в до критическом состоянии (Т до 374°С), но максимально приближенной по своим температурным характеристикам к воде, находящейся в сверхкритическом состоянии (Т выше 374°С). Секция 9 размещена в средней части корпуса 1 между двух упомянутых выше секций 4 и 6 и оснащена входным 13 и выходным 14 коллекторами. Выходной коллектор 14 имеет возможность соединения с соединительной муфтой 15.
Выходной коллектор 10 нагревательной секции 4 трубной линией 11 связан с входным коллектором 7 нагревательной секции 6, выходной коллектор 8 которой трубной линией 12 связан с входным коллектором 13 третьей нагревательной секции 9. Нетрудно заметить, что теплообменные трубы секций 4, 6, 9 образуют при их соединении посредством коллекторов единый тракт - пароводяной контур для прокачки генерируемого в них рабочего агента.
Расположение второй нагревательной секции 6 в нижней части корпуса 1 (вблизи устройства 3 выработки теплоносителя), а третьей нагревательной секции 9 - в средней части корпуса позволяет исключить, перегрев нагревательных теплообменных труб третьей секции 9 и обеспечить продолжительную безопасную ее работу в режиме генерации рабочего агента в виде докритической воды по температуре, максимально приближенной к рабочему агенту в виде сверхкритической воды.
Второй теплогенерирующий модуль состоит из корпуса 18, в нижней части которого размещено устройство 35 выработки теплоносителя 21. Данное устройство может быть выполнено известным образом, в частности, аналогично выполнению устройства 3 первого теплогенерирующего модуля.
К устройствам 3 и 35 подсоединена магистраль 2 подвода топлива.
В полости корпуса 18, над устройством 35 выработки теплоносителя смонтирована герметичная емкость 25.
Конструктивно емкость 25 может быть выполнена в виде трубы, имеющей различную форму в поперечном сечении, с закрытыми фланцами (позициями не обозначены) ее торцами.
В полости емкости 25 образован единый замкнутый циркуляционный канал для циркуляции помещенного в него теплогенерирующего агента 22.
Канал может быть образован различным образом, например, посредством установленной в емкости продольной перегородки (позицией не обозначена), которая не касается фланцев и образует с внутренней поверхностью емкости каналы 32 (нижний) и 33 (верхний). Каналы 32 и 33, а также сообщенные с каналами приторцевые участки емкости между фланцами емкости и концами перегородки, образуют единый замкнутый циркуляционный канал (конфигурация циркуляционного канала соответствует форме замкнутого контура стрелок, показывающих на фиг. циркуляцию теплогенерирующего агента 22).
Для облегчения понимания сущности заявленного изобретения емкость 25 условно разделим на части 26 и 29. В части 26 емкости 25, в канале 32, над устройством 35 выработки теплоносителя размещен механизм циркуляции теплогенерирующего агента 22. Данный механизм выполнен известным образом, например, в виде шнека 27 шнекового насоса 36, кинематически связанного с приводным электрическим двигателем 28.
В части 29 емкости 25, в каналах 32 и 33 размещена нагревательная (перегревательная) секция 17 данного теплогенерирующего модуля, выполненная в виде пакета теплообменных труб.
Секция 17 теплообменных труб второго теплогенерирующего модуля оснащена выходным коллектором 24, предназначенным для соединения с колонной насосно-компрессорных труб, по которым осуществляется инжектирование сгенерированного рабочего агента 30 в подпакерный объем скважины (не показана).
Секция 17 второго теплогенерирующего модуля оснащена входным коллектором 16, имеющим возможность сообщения с выходным коллектором 14 секции 9 первого теплогенерирующего модуля посредством соединительной муфты 15.
В качестве помещаемого в циркуляционный канал теплогенерирующего агента 22 может быть использован либо один из эвтектических сплавов металлов, преимущественно, свинца (Pb) или висмута, либо одна из эвтектических смесей неорганических солей, которые после их нагрева до температуры плавления, переходят из твердого состояния в жидкое и, таким образом, трансформируются в теплогенерирующий агент 22. Теплогенерирующие агенты, которые могут быть использованы в заявленном изобретении, представлены в широком спектре в таблицах 1 и 2.
2
3
2
2
7
2
4
7
3
2
4
7
3
2
2
7
В качестве эвтектических смесей неорганических солей могут быть использованы, в частности, рецепты эвтектических смесей неорганических солей, известных из патента РФ №2357303 [2] от 29 октября 2007 года (представлены в Таблице 1.). В заявленном генераторе, в частности, может быть использован высокотемпературный теплоноситель для теплонапряженных энергетических установок с тепловой нагрузкой более 1 МВт/м и рабочей температурой более 400°С на базе эвтектической смеси неорганических солей, включающей фторид лития LiF, метафосфат натрия NaPO и молибдат калия KMoO или тетраборат натрия NaBO при следующем соотношении ингредиентов: в первом составе, мас. %: NaPO 64-87, NaBO 3-25, LiF 8-15 или во втором варианте, мас. %: NaPO 25-49, KMoO 48-72, LiF 3-10. Данный теплоноситель (теплогенерирующий агент) нетоксичен, негорюч, способен существовать в расплавленном состоянии без изменения химического состава при низком давлении собственных паров в широком диапазоне температур от 400 до 1200°С, оставаясь инертным к основным конструкционным материалам на базе сплавов железа.
В заявленном изобретении, наиболее целесообразно использовать эвтектические смеси неорганических солей в силу их более выгодных технических характеристик и, в частности, более низкой плотности по сравнению с плотностями эвтектических сплавов металлов (менее энергозатратен процесс перекачки теплоносителя).
2
Использование в заявленном изобретении в качестве теплогенерирующего агента 22 эвтектических сплавов металлов, преимущественно, свинца (Pb) и висмута (Bi) в жидком (расплавленном) состоянии, либо эвтектических смесей неорганических солей также, находящихся в жидком (расплавленном) состоянии, обладающих значительно более высокой теплоотдачей по сравнению с топочными газами (от 232 (эвтектические смеси неорганических солей) до 1163 (эвтектические сплавы металлов) Вт/м*К), позволяет: (1) существенно уменьшить суммарную наружную площадь теплообменных труб перегревательной секции 17 (их длину); (2) использовать теплообменные трубы, изготовленные из менее теплостойких сплавов, но со стенками большей толщины. Данные сплавы имеют, кроме того, невысокую стоимость.
Весьма также существенно, что теплообменные трубы перегревательной секции второго теплогенерирующего модуля со всех сторон обтекаются теплогенерирующим агентом 22 (полностью погружены в него). Это позволяет значительно сократить время нагрева рабочего агента в теплообменных трубах данной секции до заданных параметров, а также повысить КПД генератора за счет значительного улучшения условий теплообмена при передаче тепла от теплогенерирующего агента 22 генерируемому рабочему агенту.
Теплообменные трубы перегревательной секции 17 второго теплогенерирующего модуля предпочтительно выполнять из хромоникелевых сплавов, например, из сплава SANICRO 25 или его аналогов, которые, кроме относительно невысокой стоимости, обладают значительной прочностью и могут быть использованы в высокотемпературной агрессивной среде высокого давления. Возможно также использование и иных сплавов, например, INCONEL-617 или INCONEL-740H.
Теплообменные трубы нагревательных секций 4, 6 и 9 первого модуля могут быть выполнены из материала DIN 1.4903 (Р91), причем теплообменные трубы нагревательной секции 4 целесообразно покрывать высокопористым ячеистым материалом (ВПЯМ) из меди, так как медь имеет один из лучших коэффициентов теплопроводности (389,6 Вт/(м*К) среди металлов. Наличие ВПЯМ вокруг нагревательных труб нагревательной секции 4 повышает эффективность теплопередачи от теплоносителя к генерируемому рабочему агенту. Из современного уровня техники известно, что использование ВПЯМ для повышения эффективности теплопередачи более эффективно по сравнению с традиционно используемым для достижения этой же цели оребрением.
Наиболее целесообразно, чтобы нагревательная секция 4 имела шахматное расположение теплообменных труб, а нагревательные секции 6 и 9 - коридорное (параллельное в вертикальной и горизонтальной плоскостях) расположение теплообменных труб.
Такое относительное расположение нагревательных труб секций друг относительно друга позволяет не допустить перегрева нижних нагревательных труб, так как наивысшая температура среды достигается в средней секции 9, а не в нижней 6. Вторая секция нагревателя 6 (нижняя) воспринимает наивысшую температуру топочных газов, однако, параметры среды в данной секции позволяют эффективно воспринять данное количество тепла, без риска перегрева труб, так как средняя температура среды в данной секции на 100°С ниже средней температуры в секции 9.
Для уменьшения тепловых потерь генерируемых в полости корпусов 1 и 18 теплоносителей, целесообразно теплоизолировать корпуса 1 и 18, как снаружи, так и изнутри.
Для теплоизолирования снаружи, в частности, может быть использовано теплоизоляционное покрытие MICROTHERM, обладающее при нагреве до 800°С, теплопроводностью, равной 0,039 Вт/(м*К), а при 400°С - 0,026 Вт/(м*К).
Теплоизолирование изнутри осуществляют монтажом теплоизоляционного материала, стойкого к газовой коррозии. Конструкция внутренней теплоизоляции может быть однослойной или многослойной. Такие материалы и технологии их монтажа известны специалистам, и они не являются предметом патентной охраны настоящей заявки.
Для обеспечения функционирования генератора ультра-сверхкритического рабочего агента используется наземное оборудование, а именно: установка подготовки питательной воды, используемой для получения рабочего агента; установка приготовления топлива; блок очистки продуктов газообразных теплоносителей; насосно-компрессорное оборудование и пр. Данное оборудование является стандартным и используется по прямому назначению.
Генератор ультра-сверхкритического рабочего агента работает следующим образом.
Для работы генератора входной коллектор 5 первой нагревательной секции 4 первого теплогенерирующего модуля соединяют с линией 31 подвода подготовленной теплой (до 60°С) воды, а выходной коллектор 14 третьей секции 9 посредством соединительной муфты 15 соединяют с входным коллектором 16 перегревательной секции 17 второго теплогенерирующего модуля. Выходной коллектор 24 перегревательной секции 17 соединяют посредством трубопровода (не показан) с опущенной в скважину колонной насосно-компрессорных труб (не показаны), к устройствам 3 и 35 подсоединяют магистраль 2 подвода топлива, в циркуляционный канал емкости 25 загружают теплогенерирующий агент 22. Генератор готов к работе.
Включают нагнетательный насос линии 31, в результате чего вода поступает в нагревательную секцию 4.
После достижения необходимого конечного рабочего давления питательной воды (Р до 60 МПа), включают в работу устройство 3 выработки теплоносителя, которое генерирует теплоноситель 20 (в форме топочных газов), перемещающийся в полости корпуса 1 снизу в его верхнюю часть, обтекая теплообменные трубы нагревательных секций 4, 6, 9 первого теплогенерирующего модуля, отдавая им свое тепло.
Протекая по теплообменным трубам первой нагревательной секции 4, вода постепенно разогревается до температуры 180°С и через выходной коллектор 10 по линии 11 поступает на входной коллектор 7 второй нагревательной секции 6, в которой она разогревается до температуры 250°С. Далее нагреваемая вода через выходной коллектор 8 данной секции, линию 12 и входной коллектор 13 поступает в третью секции 9, в которой она разогревается до температуры 370°С (при Р до 60 МПа), после чего, находясь в докритическом состоянии, но максимально приближенном к критическому состоянию, вода поступает через выходной коллектор 14 третьей нагревательной секции 9 и входной коллектор 16 - в перегревательную секцию 17 второго теплогенерирующего модуля.
Нетрудно заметить, что работа первого теплогенерирующего модуля во многом схожа с работой модуля, принятого в качестве наиболее близкого аналога.
Одновременно с включением в работу устройства 3 выработки теплоносителя 20 включают в работу устройство 35 выработки теплоносителя 21 (топочных газов), который, обтекая емкость 25, постепенно разогревает теплогенерирующий агент 22 за счет передачи ему тепла от теплоносителя 21.
Теплогенерирующий агент 22 в результате такого разогрева постепенно переходит из твердого состояния в жидкое (расплавленное) состояние и, как только его температура достигает заданного значения, в работу включается шнековый насос 36, который при помощи электродвигателя с приводом 28 шнеком 27 начинает прокачивать теплогенерирующий агент 22 по циркуляционному каналу. Температура разогретого теплогенерирующего агента составляет не менее 651°С.
3
Циркулируя по каналу, разогретый теплогенерирующий агент 22 передает часть тепла через теплообменные трубы перегревательной секции 17, протекающей по ним воде, которая, перед поступлением в выходной коллектор 24, разогревается до максимальной температуры 650°С при Р до 60 МПа и, таким образом, трансформируется в рабочий агент 30 - ультра-сверхкритическую воду со следующими основными характеристиками: плотность - 178,86 кг/м; энтальпия - 3366,7 кДж/кг.
Далее рабочий агент 30 подается в колонну насосно-компрессорных труб, по которой инжектируется в подпакерный объем скважины (не показана).
В процессе работы генератора разогретый теплогенерирующий агент 22, отдав часть тепла, перегревательной секции 17, трансформируется в охлажденный теплогенерирующий агент 34, который далее по каналу 33 поступает для донагрева в зону действия устройства 35.
Одновременно теплоноситель 21, отдав часть своего тепла теплогенерирующему агенту 22, трансформируется в охлажденный теплоноситель 23, который через переходник 19 поступает в полость корпуса 1, где отдает часть тепла нагревательной секции 4 первого теплогенерирующего модуля, что также позволяет повысить КПД генератора.
Охлажденные топочные газы 37, максимально отдав тепло, и, имеющие температуру не более 150°С, удаляются из полости корпуса 1 через канал 38.
Для получения ультра-сверхкритического рабочего агента могут быть одновременно использованы генераторы, которые имеют несколько теплогенерирующих модулей, скомпонованных между собой параллельно, что позволяет создавать наземные генераторы рабочего агента высокой тепловой мощности.
Источники информации
1: Сверхкритические и супер-сверхкритические параметры в электроэнергетике. Интервью Rana Bose журналу Velan View. Мир арматуры. 4 (79) 2012;
[2] Патент РФ RU 2357303(13) С1, 29.10.2007. Высокотемпературный теплоноситель (варианты).