МОДУЛЬ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРА-СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО РАБОЧЕГО АГЕНТА
ULTRA-SUPERCRITICAL WORKING AGENT GENERATION MODULE

Изобретение относится к оборудованию для нефтегазовой промышленности и может быть использовано для генерации рабочего агента в форме ультра-сверхкритической воды, подаваемого в продуктивные нефтесодержащие пласты для повышения их отдачи.
В настоящее время на территории России открыты месторождения углеводородов (в частности, баженовская и доманиковая свиты), основной углеводородный потенциал которых заключен не в подвижных нефтях (нефть низкопроницаемых/плотных пород), а в неподвижном керогене и в неподвижной или малоподвижной битуминозной нефти.
Аналогичные по качественному углеводородному составу месторождения - нефтеносные сланцевые плеи, известны на территории более сорока стран, включая Баккен/Три Форкс, Игл Форд, Пермский бассейн (США), Парижский бассейн (Франция), Нижнесаксонский бассейн (Германия), Западно-нидерландский бассейн (Нидерланды), бассейн Вилд (Великобритания), формация Кессен (Венгрия), формация Вака Муэрта (Аргентина) и др.
Комплексное освоение таких месторождений предполагает использование теплового или термохимического воздействия на их продуктивные пласты для внутрипластовой генерации синтетических углеводородов из керогена и битуминозной нефти, а также для частичного внутрипластового облагораживания и интенсификации добычи, содержащейся в их продуктивных пластах, нефти низкопроницаемых/плотных пород. При использовании теплового, термохимического воздействия на продуктивные пласты, в них, в ходе осуществления внутрипластового каталитического ретортинга, включающего такие базовые процессы, как внутрипластовый пиролиз/гидропиролиз, гидрокрекинг, каталитический крекинг, термический крекинг и др., в сверхкритической флюидной среде генерируются синтетические углеводороды как в жидкой, так и в газообразной формах, а также осуществляется частичное облагораживание нефти низкопроницаемых/плотных пород.
Как показали исследования, осуществление внутрипластового каталитического ретортинга, а также реэнергизация и увеличение проницаемости продуктивных пластов, могут быть осуществлены за счет закачки в них полученного из воды рабочего агента, параметры которого (температура и давление) обеспечивают прогрев продуктивных пластов до температуры от 400 до 480°С. Для достижения этого результата, с учетом тепловых транспортных потерь, которые неизбежно возникают при доставке рабочего агента с дневной поверхности скважины в продуктивный пласт, необходимо чтобы наземное оборудование генерировало рабочий агент с температурой от 500 до 1000°С и давлением от 40 до 50 МПа.
Генерируемый с такими рабочими параметрами рабочий агент находится в сверхкритическом или в ультра-сверхкритическом состоянии. Термин «ультра-сверхкритическая вода» (УСК-вода; Ultra-Supercritical Water (USCW)) используется в технической литературе и техническими специалистами для обозначения проектных режимов работы устройств с параметрами выше тех, которые принято называть «сверхкритическими». В теплоэнергетике типичный диапазон сверхкритических параметров - от 245 до 285 бар при температуре от 540 до 580°С. Американский Исследовательский Институт Электроэнергетики (ERPI) называет суперсверхкритическими (ультра-сверхкритическими. Ultra-Supercritical (USC)) 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 полученный из воды рабочий агент, имеющий температуру от 593 до 1000°С и давление закачки в продуктивный пласт от 40 до 100 МПа.
Для генерации высокотемпературного рабочего агента высокого давления в форме перегретого пара или в форме сверхкритической воды, в том числе и для закачивания через скважины в углеводородосодержащие продуктивные пласты, используется довольно широкая гамма оборудования.
Так, например, известен парогазогенератор, содержащий запальное устройство с каналом подвода воздуха и форсункой горючего, камеру сгорания с форсуночной головкой, каналами ввода горючего и воды, и рубашкой охлаждения, образованной внутренней и наружной стенками парогазогенератора, испарительную камеру с кольцом сброса и несколькими секциями из сужающихся и расширяющихся частей и цилиндрических участков. Во внутренней стенке в конце камеры сгорания выполнен кольцевой ряд калиброванных отверстий, на наружной стенке камеры сгорания выполнен кольцевой ряд резьбовых отверстий. Камера сгорания разъемно соединена посредством резьбового соединения с испарительной камерой.
В процессе работы парогазогенератора запальное устройство поджигает топливную смесь в камере сгорания. Вода проходит по рубашке охлаждения, охлаждая внутреннюю стенку камеры сгорания, и впрыскивается в поток продуктов сгорания через кольцевой ряд калиброванных отверстий. Длина камеры сгорания от форсуночной головки до кольца сброса испарительной камеры составляет не менее 700 мм, что обеспечивает повышение полноты сгорания горючего за счет большого времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания, а также отдаляет основной фронт горения от зоны впрыска воды, при этом вода не влияет на процесс горения в камере сгорания. Нагрев, испарение воды и перемешивание образовавшегося пара с продуктами сгорания осуществляется в испарительной камере, выполненной в виде нескольких сужающихся и расширяющихся частей и цилиндрических участков. Установленное в испарительной камере кольцо сброса обеспечивает интенсивное перемешивание воды с продуктами сгорания, что приводит к резкому снижению температуры смеси в начальной зоне испарительной камеры за счет интенсивного испарения воды, а это способствует снижению тепловой нагрузки на стенку испарительной камеры до приемлемого уровня. Разъемное соединение камеры сгорания с испарительной камерой обеспечивает возможность быстрого ремонта устройства при выходе из строя камеры сгорания или испарительной камеры.
Кольцевой ряд резьбовых отверстий на наружной стенке камеры сгорания обеспечивает эффективное охлаждение наружной поверхности парогазогенератора.
(см. патент РФ на полезную модель №136083, кл. Е21В 3/24, 2013 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что оно обеспечивает получение рабочего агента - парогазовой смеси, которая может использоваться в энергетике для паровых и газовых турбин, для очистки загрязненных поверхностей струей высокотемпературной парогазовой смеси, интенсификации добычи нефти. Компонентами для получения рабочего агента - парогазовой смеси служат жидкое углеводородное горючее, воздух и вода. Однако известный парогазогенератор способен генерировать рабочий агент высокотемпературную парогазовую смесь, имеющую давление не более 30 МПа. Кроме того, для его работы необходимо использование компрессорной системы высокого давления (30 МПа) для подачи в горелочное устройство окислителя в виде воздуха. Существенно также и то, что в известном парогазогенераторе камера сгорания топлива и испарительная камера смонтированы последовательно, то есть, испарительная камера пристыкована к торцу камеры сгорания. Это приводит не только к увеличению осевых размеров парогазогенератора, но и к неравномерному распределению тепловой энергии, полученной от сгорания топлива по длине испарительной камеры, в результате чего температура рабочего агента, генерируемого вблизи камеры сгорания, значительно выше, нежели в полости камеры, удаленной от камеры сгорания. Это приводит к снижению КПД парогазогенератора, к увеличению времени генерирования рабочего агента в испарительной камере, а, следовательно, снижению производительности, но самое главное - к снижению температуры рабочего агента на выходе из парогазогенератора.
Известен парогазогенератор, содержащий корпус, в котором образованы две полости, соединенные друг с другом посредством коллектора, размещенные в корпусе камеру сгорания в виде жаровой трубы и охватывающий ее кольцевой водяной теплообменник, имеющий подвод холодной воды, с расположенным в верхней части паросборником, имеющим прорези для прохождения пара из теплообменника. Камера сгорания оснащена расположенным у ее торца горелочным устройством. В корпусе, за кольцевым водяным теплообменником концентрично с камерой сгорания расположена камера смешения с выходным отверстием для парогазовой смеси. В камере смешения имеются завихрители потока, а между стенкой корпуса и камерой сгорания расположен цилиндрический элемент, по наружной поверхности камеры сгорания в корпусе закреплены продольные наклонные ребра. Паросборник и камера смешения соединены каналом друг с другом. На противоположном относительно горелки торце камеры сгорания и в средней части камеры смешения размещены форсунки, предназначенные для регулирования температуры генерируемой парогазовой смеси.
Для работы парогазогенератора водяной теплообменник подключают к источнику воды, включают горелку и форсунки. На форсунки подают воду. При нагреве воды в теплообменнике образуется пар, который через прорези поступает в емкость паросборника и далее через канал поступает в камеру смешения. Из камеры сгорания отходящие газы также поступают в камеру смешения. В результате происходит эффективное перемешивание пара и газа, и парогазовая смесь поступает на выход для использования потребителем. Перемешивание смеси улучшается под воздействием мелкодисперсной воды, поступающей под давлением из форсунок, которая также регулирует температуру парогазовой смеси.
(см. патент РФ №2283456, кл. F22B 1/22, 2006 г.).
В результате анализа конструкции известного парогазогенератора необходимо отметить, что расположение горелочного устройства в торце водяного теплообменника не позволяет равномерно изнутри прогревать всю теплообменную поверхность водяного теплообменника, что снижает его производительность по получению рабочего агента, а также качество получаемого рабочего агента. Кроме того, для конструкции известного парогенератора характерны довольно большие тепловые потери, что снижает его КПД.
Известен генератор сверхкритического рабочего агента в форме сверхкритической воды для последующей его доставки на забой скважины в продуктивный пласт для повышения его нефтеотдачи, содержащий полый корпус, в котором размещен теплообменник, вход теплообменных труб теплообменника имеет возможность подсоединения к линии подачи под высоким давлением воды для получения рабочего агента, а выход - к продуктопроводу - колонне насосно-компрессорных труб для закачки полученного рабочего агента в продуктивный пласт скважины.
Генератор оснащен установленным в корпусе горелочным устройством, выполненным в виде оснащенной устройством поджига горелки, к которой подведен топливопровод.
На корпусе генератора установлен патрубок для отвода из полости корпуса продуктов сгорания топлива.
(см. патент РФ №2611873, кл. Е21В 43/24, 2017 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что известный генератор обеспечивает получение рабочего агента в форме сверхкритической воды, имеющей температуру на выходе Т=450°С и давление Р=30 МПа. Однако известная конструкция генератора характеризуется значительными тепловыми потерями при генерировании рабочего агента, что обусловлено неравномерным распределением продуктов сгорания топлива в полости корпуса и ограниченным временем его нахождения в полости корпуса. Это снижает производительность ее работы и КПД.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, имеющего высокую (до 1000°С) температуру и высокое (до 100 МПа) давление и, в то же время, высокопроизводительного, надежного при эксплуатации, в том числе, за счет исключения возникновения явления «кризис теплообмена», отвечающего требованиям по экологичности, обладающего высоким КПД за счет генерирования ультра-сверхкритического рабочего агента с минимальными тепловыми потерями.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в модуле генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, содержащем полый корпус с патрубком отвода продуктов сгорания газообразной топливной смеси из полости корпуса, установленный в корпусе теплообменник, вход которого имеет возможность подсоединения к линии подвода воды, а выход - соединения с продуктопроводом для доставки полученного рабочего агента в продуктивный пласт скважины, а также установленное в корпусе горелочное устройство, имеющее возможность соединения с линией подвода газообразной топливной смеси, новым является то, что объем корпуса разделен на две сообщающиеся друг с другом полости, как минимум, двумя перфорированными отверстиями защитными отражающими экранами-перегородками, установленными в корпусе с образованием пространства между ними таким образом, что их отверстия смещены друг относительно друга, в одной из полостей корпуса размещено горелочное устройство, а в другой - теплообменник, горелочное устройство выполнено в виде блока инфракрасных горелок, каждая из которых включает высокопористый ячеистый материал, устройство поджига и перфорированную трубу, подсоединенную к раздаточному топливному коллектору, имеющему возможность соединения с линией подвода газообразной топливной смеси, а теплообменник выполнен в виде теплообменных труб, вход которых имеет возможность соединения с линией подвода воды, а выход - с продуктопроводом для доставки полученного рабочего агента в продуктивный пласт скважины, при этом, полость корпуса, в которой размещен теплообменник, заполнена высокопористым ячеистым материалом, а патрубок корпуса имеет возможность соединения с каналом отвода продуктов сгорания топлива из полости корпуса теплообменника.
Для компоновки горелочного устройства может быть использован высокопористый ячеистый материал из пенокарбида кремния или пенооксида циркония, имеющий от 100 до 60 пор на дюйм.
Для заполнения полости корпуса, в которой размещен теплообменник, может быть использован высокопористый ячеистый материал из пенокарбида кремния или пенооксида циркония, имеющий от 40 до 10 пор на дюйм, при этом, высокопористый ячеистый материал нижней части полости корпуса имеет от 40 до 30 пор на дюйм, а высокопористый ячеистый материал верхней части полости корпуса имеет от 20 до 10 пор на дюйм.
Теплообменные трубы теплообменника могут быть полностью или частично заполнены высокопористым ячеистым материалом из пеноникеля или пенонихрома, имеющим от 100 до 5 пор на дюйм.
Перфорированные трубы горелочного устройства могут быть изготовлены из молибдена.
В теплообменнике, в высокопористом ячеистом материале между теплообменными трубами могут быть размещены отражающие экраны-перегородки, частично перекрывающие полость корпуса, которые могут быть перфорированы отверстиями.
Корпус модуля может быть изготовлен из титана или иного жаропрочного и жаростойкого материала, а внутренняя поверхность его полости, в которой размещено горелочное устройство, может быть выполнена отражающей.
Теплообменник может быть выполнен из нескольких соединяемых друг с другом секций.
Модуль может быть оснащен дополнительным теплообменником, теплообменные трубы которого размещены в канале отвода продуктов сгорания топлива из полости корпуса теплообменника, входом имеют возможность подсоединения к линии подвода воды, а выходом к теплообменным трубам основного теплообменника Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, общий вид, теплообменник в разрезе;
- на фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1.
Модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента (модуль) (фиг. 1, фиг. 2) выполнен в виде полого корпуса 1, объем которого разделен перфорированными защитными отражающими экранами-перегородками 2 и 3 на сообщающиеся через их отверстия-перфорации (соответственно, 4 и 5) полость «А», в которой скомпоновано горелочное устройство, и полость «Б» генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, в которой размещены батареи (блоки) теплообменных труб 6 теплообменного устройства (теплообменника).
Защитные отражающие экраны-перегородки 2 и 3 выполнены в виде плоских перфорированных листов из термостойкого материала (температура плавления которого не ниже 1500°С) с, предпочтительно, полированными поверхностями для отражения части энергии инфракрасного излучения, и установленных в полости корпуса 1 с зазором друг относительно друга и параллельно друг другу таким образом, что их перфорации 4 и 5 смещены друг относительно друга на шаг «t». Количество защитных отражающих экранов-перегородок 2 и 3 не может быть менее двух. Одна из функций защитных отражающих экранов-перегородок 2 и 3 - защита нижних рядов теплообменных труб 6 от тепловой коррозии.
Внутренние поверхности полости «А» корпуса 1 наиболее целесообразно выполнять отражающими. Для обеспечения эффекта отражения части энергии инфракрасного излучения, исходящего от инфракрасных горелок, поверхности могут быть отполированы или на них может быть нанесено термостойкое теплоотражающее покрытие. В качестве такового может быть использовано стеклоэмалевое покрытие, например, ЭВК-104 М, которое, кроме выполнения функции отражения, обеспечивает защиту поверхностей корпуса, работающих в особо теплонапряженных условиях от высокотемпературной газовой коррозии до 1050°С длительно и до 1200°С кратковременно. Наличие покрытия повышает надежность и ресурс работы корпуса 1 в 1,5-2 раза.
Использование отражающих поверхностей обеспечивает получение в процессе работы модуля направленного в сторону полости «Б» потока инфракрасного излучения, что увеличивает плотность теплового потока, в целом, и, соответственно, повышает эффективность разогрева теплообменных труб 6, особенно в средней и верхней частях теплообменника, снижает тепловые потери и, в конечном итоге, повышает КПД модуля.
Скомпонованное в полости «А» корпуса 1 горелочное устройство выполнено секционным, в виде нескольких инфракрасных горелок (на фиг. 1 их количество («N; N+1; N+n») три, но это не означает, что оно не может быть иным). Каждая инфракрасная горелка состоит из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) 7, устройства поджига (например, пьезоэлемента - не показан), размещенного в пространстве между ВПЯМ 7 и защитным отражающим экраном-перегородкой 3, а также трубы 8, перфорированной по своей длине отверстиями (не показаны) и входом подсоединенной к раздаточному топливному коллектору 9, соединенному с линией подвода топлива.
Использование в горелочном устройстве инфракрасных горелок позволяет обеспечить прямое преобразование теплоты горения топлива в энергию инфракрасного излучения. Инфракрасные горелки с горел очными элементами пористой структуры характеризуются высокой скоростью горения и устойчивостью процесса горения, а также пониженными выбросами вредных продуктов сгорания в атмосферу. Собственно, горелки такого типа известны весьма широко (см., например, патенты РФ №/№2151956, 2065123, 2151957, 2137040, патент США №5326631 и др.).
Используемый в горелочном устройстве ВПЯМ 7 изготовлен из термостойких материалов, способных работать при температурах от 1500 до 1700°С, например, пенокарбида кремния или пенооксида циркония и имеет от 100 до 60 пор на дюйм. Такое количество пор обеспечивает эффективное и полное сжигание газообразного топлива в матрице ВПЯМ 7 без образования пламени.
2
4
2
В качестве газообразного топлива, поступающего в раздаточный топливный коллектор 9, может быть использована газообразная топливная смесь, состоящая, преимущественно, из природного газа и воздуха, или очищенного попутного нефтяного газа и воздуха, или из неочищенного попутного нефтяного газа и воздуха, или природного газа, очищенного или неочищенного попутного нефтяного газа и воздуха. В качестве газообразного топлива также может использоваться сингаз, состоящий, в основном, из водорода (Н), метана (СН), диоксида углерода (СО) и монооксида углерода (СО).
В полости «Б» корпуса 1 смонтирован теплообменник, в котором осуществляется генерация ультра-сверхкритического рабочего агента.
Теплообменник состоит из батареи теплообменных труб 6, входом подсоединенных к раздаточному водяному коллектору, соединенному линией 10 с источником воды. Наиболее предпочтительная форма расположения теплообменных труб в полости «Б» - в виде змеевиков, что позволяет увеличить их длину, и, следовательно, поверхность теплоотдачи. Данная форма расположения теплообменных труб в теплообменниках встречается весьма часто и преимущества такой их паковки известны довольно хорошо.
Свободное пространство в полости «Б» заполнено ВПЯМ 11. В качестве материала ВПЯМ 11 целесообразно использовать пенокарбид кремния или пенооксид циркония, которые способны работать при температурах от 1500 до 1700°С и имеющие от 40 до 10 пор на дюйм. Предпочтительно, чтобы нижняя часть полости «Б» корпуса, примерно до его середины, была заполнена ВПЯМ с количеством пор от 40 до 30 на дюйм, а от середины и до верха - с количеством пор от 20 до 10 на дюйм. Такая конфигурация ВПЯМ обеспечивает естественную тягу и, как следствие, эффективное удаление продуктов сгорания топлива из корпуса 1. Естественная тяга создается еще и за счет того, что ВПЯМ, имеющий 10 пор на дюйм, имеет меньшую величину степени газодинамического сопротивления по сравнению с ВПЯМ, имеющим 40 пор на дюйм или 60 пор на дюйм, или 100 пор на дюйм.
Использование ВПЯМ, заполняющего свободное пространство в полости «Б», позволяет, во-первых, повысить эффективность теплообменных процессов на внешней поверхности теплообменных труб (увеличить значение величины теплообменного коэффициента), а во-вторых, это позволяет дополнительно к обеспечиваемой воздуходувками (не показаны) искусственной тяге удаления продуктов сгорания топлива из корпуса 1, создать и естественную тягу за счет гравитационных сил, обусловленных, как разностью температур продуктов сгорания топлива в нижней и верхней частях корпуса теплообменника, так и оптимальным соотношением пористости ВПЯМ 7 и ВПЯМ 11, а именно тем, что газодинамическое сопротивление ВПЯМ 11, имеющего от 40 до 10 пор на дюйм, меньше газодинамического сопротивления ВПЯМ 11, имеющего от 100 до 60 пор на дюйм.
Теплообменные трубы 6 могут быть заполнены полностью или частично ВПЯМ (не показан), имеющим от 100 до 5 пор на дюйм. Данный ВПЯМ может быть изготовлен из пеноникеля или пенонихрома. Использование ВПЯМ, заполняющего полностью или частично внутреннюю полость теплообменных труб 6, позволяет повысить эффективность теплообменных процессов на внутренней поверхности теплообменных труб 6 (увеличить значение величины теплообменного коэффициента).
В полости «Б» между теплообменными трубами в ВПЯМ 11 могут быть помещены отражающие экраны-перегородки 12, выполненные в виде плоских листов с, предпочтительно, полированной поверхностью, способной отражать часть энергии инфракрасного излучения. Отражающие экраны-перегородки 12 могут быть перфорированы отверстиями (не показаны). Длина отражающих экранов-перегородок 12 меньше длины корпуса 1, а установлены они таким образом, что одна из них примыкает к одной из стенок корпуса 1 и образует проходной канал для продуктов сгорания топлива с противоположной стенкой, а соседняя - наоборот, примыкает к противоположной стенке корпуса 1 и образует проходной канал с другой стенкой. Наличие отражающих экранов-перегородок 12 увеличивает путь прохождения продуктов сгорания топлива через полость «Б» корпуса теплообменника, что позволяет увеличить их теплоотдачу, а, следовательно, повысить КПД модуля.
Весьма существенно также и то, что наличие перфорированных отражающих экранов-перегородок 12 позволяет сформировать в полости «Б» модуля одновременно как горизонтальный, так и вертикальный потоки горячих газообразных продуктов сгорания топлива, которые, перемещаясь в горизонтальном и вертикальном направлениях, контактируя друг с другом, турбулизируют потоки продуктов сгорания в полости «Б» модуля и, таким образом, дополнительно улучшают теплообмен на внешней теплообменной поверхности теплообменных труб 6.
Количество отражающих экранов-перегородок 12 может быть различным и определяется количеством рядов теплообменных труб 6, размещенных в полости «Б» корпуса теплообменника, объемом подаваемого газообразного топлива, объемом продуктов сгорания.
Теплообменник может быть выполнен в виде нескольких (на фиг. 2 показано три) секций, «В», «Г», «Д», которые при сборке стыкуются друг с другом по соединительным поверхностям корпуса, при этом батареи теплообменных труб соединяются друг с другом для образования единого проходного канала для генерируемого рабочего агента. Использование секционного теплообменника, наряду с использованием секционного горелочного устройства позволяет компоновать модули с обеспечением генерации ультра-сверхкритического рабочего агента с тепловой мощностью от 1 МВт до 100 МВт. При использовании секционного теплообменника нижние секции (секцию) его заполняют ВПЯМ с количеством пор от 40 до 30 на дюйм, а верхние секции (секцию) - ВПЯМ с количеством пор от 20 до 10 на дюйм.
На верхней части корпуса 1 имеется патрубок 13 отвода продуктов сгорания газообразного топлива из полости корпуса, соединенный с каналом 14 отвода продуктов сгорания. В канале 14 может быть расположен первый дополнительный теплообменник 15, входом соединенный с линией подачи воды, а выходом подсоединенный к входному коллектору теплообменных труб 6 и предназначенный для предварительного подогрева воды, подаваемой от установки водоподготовки на раздаточный водяной коллектор. Весьма целесообразно, чтобы внутренняя полость теплообменной трубы теплообменника 15 была полностью или частично заполнена ВПЯМ, имеющим от 100 до 5 пор на дюйм.
3
3
Так как максимальная температура нагрева воды в заявленном модуле не превышает 1000°С, то в качестве материала ВПЯМ может быть использован пеноникель или пенонихром, способные работать при температурах до 1445 и 1400°С, соответственно. При этом ВПЯМ, имеющий 5 пор на дюйм, может быть использован для полного или частичного заполнения внутренней полости теплообменной трубы, в которой температура воды не превышает 100°С, а ВПЯМ, имеющий 100 пор на дюйм может быть использован для полного или частичного заполнения внутренней полости теплообменной трубы, в которой температура воды составляет более 500°С. ВПЯМ с меньшим количеством пор на дюйм используется, как правило, для турбулизации воды, имеющей высокую плотность, а ВПЯМ с большим количеством пор на дюйм, используется, как правило, для турбулизации воды (сверхкритической воды или ультра-сверхкритической воды), имеющей меньшую плотность. Так плотность воды при давлении 99,9 МПа и температуре 100°С составляет 999,7 кг/м, а при давлении 99,9 МПа и температуре 798°С составляет 321,2 кг/м.
Более подробная информация о ВПЯМ приведена в источнике [2].
В канале 14 может быть расположен второй дополнительный теплообменник 16, предназначенный для подогрева газообразного топлива или его компонента (воздуха), подаваемого в раздаточный топливный коллектор 9 по линии 17.
Теплообменные трубы 6, расположенные в верхней части теплообменника могут быть изготовлены из стали SS 316 или ее аналогов, а средние и нижние ряды теплообменных труб теплообменника могут быть изготовлены из специальных жаропрочных и коррозионностойких сплавов, например, Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 В, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 и 740H или из других аналогичных сплавов.
Внутренняя поверхность теплообменных труб 6 может быть выполнена рифленой.
3
плавления ср.
Корпус 1 модуля генерации ультра-сверхкритического агента изготовлен, предпочтительно из титана. Такой выбор объясняется низкой плотностью титана (4,54 г/см), высокой жаростойкостью (Т  1950 К) и коррозионостойкостью, а также более низкой теплопроводностью (λ=19,6 Вт/(м*К), при К=1000) по сравнению с большинством марок сталей (λ=от 25 до 35 Вт/(м*К), при К=1000).
На наружной поверхности корпуса 1 модуля может быть помещено теплоизолирующее покрытие, преимущественно, многослойное, которое может быть изготовлено из последовательно уложенных друг на друга слоев углеродного аэрогеля (контактирует с корпусом), слоя кремнеземного аэрогеля, слоя алюминиевой фольги, поверхность которой является отражающей, слоя базальтового волокна и кожуха, изготовленного, предпочтительно из нержавеющей стали. Толщина каждого теплоизолирующего покрытия, а именно, углеродного аэрогеля, кремнеземного аэрогеля и базальтового волокна может составлять от 5 до 30 мм.
Для обеспечения функционирования заявленного модуля используется наземное оборудование, а именно: установка водоподготовки; установка приготовления топлива; блок каталитической очистки продуктов сгорания топлива; насосно-компрессорное оборудование/воздуходувки и др. Данное оборудование является стандартным и его выполнение не является предметом патентной охраны.
При подготовке модуля к работе подсоединяют раздаточный топливный коллектор 9 к линии 17 подвода топлива, раздаточный водяной коллектор теплообменных труб соединяют с установкой водоподготовки, а в линии их соединения, если это необходимо, включают дополнительные первый и второй теплообменники 15 и 16. Патрубок 13 отвода продуктов сгорания топлива из полости корпуса соединяют с каналом 14 отвода продуктов сгорания топлива, в котором размещены дополнительные теплообменники 15 и 16.
Модуль готов к работе.
Модуль работает следующим образом.
Перед подачей воды в теплообменные трубы 6 или в первый дополнительный теплообменник 15 (при его наличии) осуществляют предварительную ее подготовку в установке водоподготовки (не показана).
В установке водоподготовки вода умягчается, например, с использованием электромагнитного преобразователя накипи, очищается от механических примесей и под давлением до 100 МПа подается в первый дополнительный теплообменник 15. В теплообменнике 15 предварительно подготовленная вода, за счет тепла отводимых из полости корпуса 1 газообразных продуктов сгорания топлива, разогревается до температуры 80…120°С и подается в теплообменные трубы 6 основного теплообменника для генерации ультра-сверхкритического рабочего агента.
Наличие дополнительных теплообменников обеспечивает утилизацию тепла продуктов сгорания газообразного топлива.
При отсутствии первого дополнительного теплообменника 15 вода из установки водоподготовки поступает непосредственно в теплообменные трубы 6.
Параллельно по линии 17 в горелочное устройство подают газообразное топливо, которое подогревают во втором дополнительном теплообменнике 16 (при его наличии), после чего оно поступает в раздаточный топливный коллектор 9, заполняет трубы 8 и через их перфорации поступает в ВПЯМ 7, на выходе из которого поджигается устройством поджига и полностью сгорает/окисляется в пространстве между защитным отражающим экраном-перегородкой 3 и в ячейках объема ВПЯМ 7 (температура сгорания топлива в объеме ВПЯМ 7 достигает 1200…1400°С), в результате высокотемпературные продукты сгорания газообразного топлива - топочные газы, через отверстия 5 в перегородке 3 поступают в пространство между перфорированными защитными отражающими экранами-перегородками 2 и 3. Принцип работы инфракрасных горелочных устройств достаточно хорошо известен и нет необходимости приводить его в данной заявке.
Учитывая, что перфорации - отверстия в защитных отражающих экранах-перегородках 2 и 3 смещены друг относительно друга на шаг «t», поступающие в пространство между ними продукты сгорания газообразного топлива не сразу поступают в полость «Б» через перфорации 4, а перед поступлением перемешиваются в этом пространстве, что позволяет выровнять их температуру и плотность по всему объему между перегородками 2 и 3 и обеспечить подачу продуктов сгорания газообразного топлива практически одной температуры и плотности в ВПЯМ 11 полости «Б» равномерно через все перфорации 4 защитного отражающего экрана-перегородки 2.
Весьма важно, что проницаемость ВПЯМ 11 несколько ниже (от 40 до 10 пор на дюйм), чем проницаемость ВПЯМ 7 (от 100 до 60 пор на дюйм). Такое соотношение проницаемости (пористости) ВПЯМ 7 и 11 обеспечивает эффективное прохождение топочных газов через внутренний объем корпуса 1 за счет того, что газодинамическое сопротивление ВПЯМ 11, имеющего от 40 до 10 пор на дюйм, меньше газодинамического сопротивления ВПЯМ 11, имеющего от 100 до 60 пор на дюйм.
3
По мере нагрева воды, перемещающейся по теплообменным трубам 6 теплообменника от их входа к выходу, начинается постепенный процесс ее трансформации в ультра-сверхкритический рабочий агент, что выражается, в частности, в уменьшении плотности нагреваемой воды. По мере нагрева вода трансформируется в сверхкритический и далее в ультра-сверхкритический рабочий агент, имеющий рабочую температуру, например, 700°С при рабочем давлении 50 МПа (плотность 129,57 кг/м).
Полученный в теплообменнике ультра-сверхкритический рабочий агент истекает из реактора теплообменных труб и поступает в продуктопровод, например, колонну теплоизолированных насосно-компрессорных труб и по ним - в продуктивный пласт.
Истекающие из корпуса 1 через патрубок 13 продукты сгорания топлива по каналу 14 поступают в блок каталитической очистки (при его наличии) или удаляются в атмосферу.
Максимальные термобарические характеристики заявленного модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента: Т=1000°С и Р=100 МПа.
Рабочие термобарические характеристики: Т=700°С и Р=50 МПа.
В заявленном изобретении новым и оказывающим непосредственное влияние на достижение указанного технического результата является то, что теплообменные трубы теплообменника находятся в теле ВПЯМ, который оптимальным образом распределяет поток продуктов сгорания газообразной топливной смеси по полости «Б», турбулизирует его, и, таким образом, обеспечивает высокоэффективный нагрев наружных теплообменных поверхностей теплообменных труб теплообменника.
Из современного уровня развития техники известно, что одной из наиболее значительных проблем, возникающих при генерации перегретого пара и особенно сверхкритической воды и/или ультра-сверхкритической воды, является феномен, так называемого, кризиса теплообмена, который проявляется в резком ухудшении теплообмена, в данном случае, на внутренней теплопередающей поверхности теплообменных труб, что ведет, как правило, к быстрому возрастанию температуры теплопередающей поверхности, и при высоких давлениях может привести к разрушению устройств, предназначенных для генерации, преимущественно, воды, находящейся в сверхкритическом и/или в ультра-сверхкритическом состоянии. В заявленном изобретении предотвращение кризиса теплообмена, - ухудшение теплообмена на внутренней теплообменной поверхности обеспечивается как за счет использования теплообменных труб с рифленой внутренней поверхностью, но, в основном, за счет помещения ВПЯМ в полости теплообменных труб, и при этом ВПЯМ, помещенный в полости теплообменных труб может полностью или частично заполнять их внутренние полости, как в теплообменнике модуля, так и в первом дополнительном теплообменнике (при его наличии). ВПЯМ эффективно турбулизирует нагреваемый водный флюид и препятствует образованию любых теплоизолирующих прослоек между внутренними теплообменными поверхностями теплообменных труб и нагреваемым водным флюидом в форме воды, как в докритическом состоянии, так и в сверхкритическом и/или в ультра-сверхкритическом состоянии.
Использование отражающих экранов-перегородок 12 весьма существенно повышает эффективность нагрева наружных теплообменных поверхностей теплообменных труб и увеличивает путь прохождения продуктов сгорания газообразной топливной смеси в средней и верхней частях модуля. Весьма существенно также и то, что использование защитных отражающих экранов-перегородок в нижней части теплообменника предохраняет нижние ряды теплообменных труб от температурной коррозии и, тем самым, продлевает срок их безопасной эксплуатации.
Использование дополнительных теплообменников позволяет более эффективно использовать тепло продуктов сгорания газообразной топливной смеси и снизить тепловые потери, а также повысить эффективность сжигания газообразной топливной смеси в инфракрасных горелках и, таким образом, повысить КПД модуля.
Использованная в решении секционная конструкция горелочного устройства и теплообменника позволяет, в зависимости от решаемой задачи, компоновать модули с оптимальным количеством горелок и секций теплообменников, что обеспечивает выпуск широкой гаммы модулей для генерации ультра-сверхкритического рабочего агента с тепловой мощностью от 1 МВт до 100 МВт.
Источники информации:
[1] Сверхкритические и суперсверхкритические параметры в электроэнергетике. Мир арматуры. 4 (79) 2012 г.
[2] ПЕНОМАТЕРИАЛЫ: ВИДЫ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ. Каталог. Компания «ЭКАТ». Пермь. 2017 г.