СПОСОБ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ, НАПРИМЕР, НА ПОПУТНОМ НЕФТЯНОМ ГАЗЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LIGHT-DUTY POWER AGGREGATE OPERATION, EG WITH ASSOCIATED PETROLEUM GAS, AND POWER AGGREGATE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии, полученной при утилизации топлив в факелах путем сжигания жидких, газообразных отходов лесной и сельскохозяйственной промышленности, биогаза, продуктов переработки бытовых отходов, продуктов подземной или промышленной газификации твердых топлив, отходов нефтедобычи и нефтепереработки.
Роль энергетических установок малой мощности (от десятков киловатт до нескольких мегаватт) в общей структуре энергетики все возрастает в связи с огромной нагрузкой, например, процесса утилизации попутного нефтяного газа нефтяной отрасли на экосистему.
Принципиально в теплоэнергетических установках могут быть применены различные типы агрегатов: двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины или их комбинации.
2
Одним из видов топлива может быть неочищенный попутный нефтяной газ или очищенный природный газ. Природный газ, который поступает из нефтяных скважин, обычно существует в составе с другими углеводородами, такими как этан, пропан, бутан и пентан. Кроме того, сырой природный газ содержит водяные пары, сероводород (HS), углекислый газ, азот и другие компоненты. Попутный нефтяной газ, содержащий такие примеси, сложно транспортировать, а также трудно использовать без дополнительной очистки после его получения в процессе добычи нефти.
Проблема утилизации попутного нефтяного газа стоит перед всеми нефтяными компаниями. Для нефтяников транспортировка и переработка попутного нефтяного газа для дальнейшего применения нерентабельна, так как стоимость такого топлива будет выше рыночной. В настоящий момент попутный нефтяной газ в огромных количествах сжигается на факелах. Использование попутного нефтяного газа в энергетике позволит решить проблему теплового и энергетического снабжения нефтяных компаний. При добыче нефти существует практика использования попутного нефтяного газа для выработки электроэнергии для промысловых нужд.
Известен «Способ отвода сопутствующего горючего газа от нефтяной скважины и устройство для отвода сопутствующего горючего газа от нефтяной скважины» (Патент RU №2376458, опубл. 20.12.2009, МПК Е21В 43/00, H01M 8/00), по которому сопутствующий горючий газ проходит предварительную подготовку (фильтрацию, сепарацию, осушку) и направляется в двигатель внутреннего сгорания.
Недостатком такого технического решения является сложность проведения предварительной подготовки попутного горючего газа, заключающаяся в фильтрации, сепарации, осушки, что ведет к усложнению конструкции установки и требует квалифицированного обслуживания газопоршневой электростанции.
Известна «Факельная энергетическая установка на попутном газе» (Патент RU №2180720, опубл. 20.03.2002, МПК F23D 14/62, F22B 33/18), реализующая утилизацию попутного нефтяного газа, подачей воздуха и попутного нефтяного газа в факельную энергетическую установку, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела, включающая газовый коллектор, коллекторы водяной и паровой, цистерну питательной воды, систему подачи воды, привод в виде паровой турбины, электрогенератор.
Недостатком известной факельной энергетической установки является сложность ее эксплуатации непосредственно на месторождении из-за удаленности от источника расходуемого компонента рабочего тела в виде питательной воды, необходимости привоза и подготовки питательной воды перед подачей в коллектор, постоянного присутствия персонала повышенной квалификации, что ведет к дополнительным затратам.
Наиболее близким по технической сущности и взятому в качестве прототипа является «Способ утилизации попутного нефтяного газа и энергетическая машина для его осуществления» (Патент RU №2447363, опубл. 10.04.2012, МПК F23G 5/00), заключающийся в подаче воздуха и подаче попутного нефтяного газа в энергетическую машину, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в полезную работу и удаление рабочего тела в атмосферу. Энергетическая машина содержит корпус, лопаточную машину, соединенную с агрегатом полезной нагрузки, камеру сгорания и элементы подвода атмосферного воздуха, попутного нефтяного газа. Корпус выполнен в виде вытяжной трубы, вход которой герметично соединен с корпусом струйного насоса. Выход вытяжной трубы сообщен с атмосферой. На выходе вытяжной трубы установлена, по меньшей мере, одна лопаточная машина.
Недостатком известного «Способа утилизации попутного нефтяного газа и энергетической машины для его осуществления» является низкая эффективность преобразования теплоты в электрическую энергию при утилизации попутного нефтяного газа, из-за низкого значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины, работающей при низких значениях давления рабочего тела, реализующей цикл Карно.
Решаемой задачей изобретения является повышение эффективности способа работы энергетической установки малой мощности, например, на попутном нефтяном газе, путем увеличения термического коэффициента полезного действия с одновременным уменьшением вредных выбросов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности преобразования механической теплоты в электрическую энергию при утилизации топлива путем сжигания его в факелах без дополнительной очистки при минимальной квалификации обслуживающего персонала.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе работы энергетической установки малой мощности, например, на попутном нефтяном газе, включающем подачу воздуха, сжатие его, подачу топлива в энергетическую установку, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела, затем преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку, удаление рабочего тела в атмосферу, отличающемся тем, что сжигание производят циклически в ограниченном объеме устройства типа термостат, выполненного из жаростойкого и жаропрочного высокотемпературного материала, например керамики, в виде массивного тела ротора с множеством удлиненной формы туннельных каналов и передают тепловую и лучистую энергию через туннельные каналы ротора массивной стенке термостата, причем нагревают ее до температуры, обеспечивающей жаропрочность материала стенки устройства типа термостат, вплоть до предела ползучести, не достигая усталостных термических напряжений при длительном тепловом воздействии, используя принцип детального равновесия, при котором обеспечивают постоянную температуру ротора устройства термостат, передавая теплоту в термостате от рабочего тела при низком давлении массивной стенке термостата, с последующим освобождением туннельных каналов и удалением рабочего тела в атмосферу из этого ограниченного объема устройства типа термостат для последующего заполнения его предварительно сжатым воздухом, который нагревают в части множества туннельных каналах ротора путем теплообмена с массивной стенкой устройства и направляют его на вход турбины для расширения и преобразования теплоты от механической энергии соответственно в электрическую энергию, а остаточную теплоту после расширения в турбине увеличивают, направляя ее в этот ограниченный объем устройства типа термостат, путем подачи и смешения новой порции попутного нефтяного газа низкого давления и сжигания, завершая цикл в устройстве типа термостат, который имеет, по меньшей мере, одну степень свободы движения.
Технический результат достигается тем, что в энергетической установке для осуществления способа работы, содержащей корпус, компрессор в качестве лопастной машины, турбину, электрогенератор, камеру сгорания, элементы подвода атмосферного воздуха и топлива, вытяжную трубу, отличающейся тем, что она снабжена устройством типа термостат, который выполнен в виде массивного тела удлиненной формы с множеством туннельных каналов в роторе, горелок и распределительной камеры, выполненной с возможностью сообщения внутренних полостей туннельных каналов с полостями горелок и внутренней полостью вытяжной трубы, и снабжена дополнительным приводом, который соединен с устройством типа термостат, выполненный из жаростойкого и жаропрочного высокотемпературного материала, например керамики, и с возможностью обеспечения ему, по меньшей мере, одной степени свободы движения, при этом на заднем торце массивного тела термостата одна часть каналов сообщена с выходом компрессора, а другая часть каналов соответственно сообщена с атмосферой через внутреннюю полость вытяжной трубы, на переднем торце массивного тела термостата, одна часть каналов сообщена с входом турбины, а другая часть каналов соответственно сообщена с выходом турбины, при этом выход турбины соединен также с элементами подвода топлива и внутренними полостями горелок, образуя камеру сгорания в виде многоканальной полости устройства типа термостат.
Новым является:
1. Повышение термического кпд;
2. Компактность установки;
3. Повышение полноты сгорания и снижение вредных выбросов в виде компонентов неполного сгорания;
4. Применение жаростойких, жаропрочных материалов ротора в разных вариантах: например, стальным без покрытия или с керамическим покрытием или из керамических материалов в целом, а также выполнение туннельных каналов, заполненных керамическими вставками, что позволяет получать более высокую степень нагрева (1200-1500°С) сжатого воздуха на входе в турбину.
Эта инновационная особенность позволяет применять предлагаемое изобретение для автономного энергоснабжения жилых домов, торговых центров, офисных сооружений, бассейнов, больниц, предприятий общественного питания.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи.
На фиг.1 показана схематически энергетическая установка, где:
1 - компрессор;
2 - турбина;
3 - электрогенератор;
4 - корпус устройства типа термостат;
5 - ротор устройства типа термостат;
6 - туннельные каналы устройства типа термостат;
7 - подшипниковый узел;
8 - опорный подшипниковый узел;
9 - переднее днище устройства типа термостат;
10 - заднее днище устройства типа термостат;
11 - распределительная камера устройства типа термостат;
12 - горелка;
13 - сборная камера устройства типа термостат;
14 - вытяжная труба;
15 - передний торец устройства типа термостат;
16 - задний торец устройства типа термостат;
17 - дополнительный привод в виде электродвигателя;
18 - элементы подвода атмосферного воздуха;
19 - элементы подвода топлива.
Энергетическая установка, представленная схемой на фиг.1, содержит компрессор 1, турбину 2, электрогенератор 3, которые соединены между собой. Энергетическая установка содержит также устройство типа термостат, в корпусе 4 которого размещен с возможностью вращения ротор 5 устройства типа термостат с множеством удлиненной формы туннельных каналов 6 внутри. При горизонтальном расположении ротор 5 закреплен в подшипниковом узле 7. При вертикальном расположении устройства типа термостат ротор 5 в дополнении к подшипниковому узлу 7 имеет опорный подшипниковый узел 8. На корпусе 4 устройства типа термостат закреплены переднее днище 9 и заднее днище 10. Во внутренней полости переднего днища 9 расположена распределительная камера 11, которая совместно с горелкой 12, туннельными каналами 6 ротора 5 образует камеру сгорания. Во внутренней полости заднего днища 10 расположена сборная камера 13, которая соединена с вытяжной трубой 14. Распределительная камера 11 устройства типа термостат на переднем торце 15 ротора 5 образует зону раздела двух сред сжатого воздуха и рабочего тела в полости переднего днища 9. На заднем торце 16 ротора 5 сборная камера 13 устройства типа термостат образует зону раздела двух сред сжатого воздуха и рабочего тела в полости заднего днища 10. Ротор 5 устройства типа термостат имеет привод 17 в виде электродвигателя. Энергетическая установка содержит элементы 18 подвода атмосферного воздуха и элементы 19 подвода топлива. Полость переднего днища 9 устройства типа термостат сообщена с входом турбины 2, а выход турбины 2 сообщен с полостью распределительной камеры 11, расположенной в полости переднего днища 9 устройства типа термостат. Полость заднего днища 10 устройства типа термостат сообщена с выходом компрессора 1, а вход компрессора 1 сообщен через элементы подвода атмосферного воздуха с атмосферой. Полость сборной камеры 13, расположенной в полости заднего днища 10 устройства типа термостат, сообщена через полость вытяжной трубы 14 с атмосферой. Полость переднего днища 9 сообщена с полостью заднего днища 10 устройства типа термостат множеством туннельных каналов 6 внутри ротора 5.
Работает энергетическая установка следующим образом.
Электрогенератор 3 в режиме запуска работает как стартер, раскручивая компрессор 1 и турбину 2. Воздух сжимают в компрессоре 1 и направляют в полость заднего днища 10 устройства типа термостат. Сжатый воздух по туннельным каналам 6 поступает на вход турбины 2, расширяясь в турбине воздух поступает в распределительную камеру 11. Через элементы подвода топлива 19 и горелку 12 топливо в виде неочищенного попутного газа поступает в распределительную камеру 11, смешиваясь с воздухом, запальным устройством топливно-воздушную смесь воспламеняют. Начинается процесс горения, образуя высокотемпературное рабочее тело. Рабочее тело поступает в туннельные каналы 6, в которых завершается процесс химических преобразований топливной композиции в продукты сгорания. Выделяющуюся в процессе горения тепловую и лучистую энергию воспринимает массивная стенка устройства типа термостат. Множество туннельных каналов 6 с разными концентрациями продуктов сгорания передают теплоту рабочего тела, выделяющуюся в результате химических превращений, массивному телу ротора, выравнивая температуру и сохраняя ее при заданном соотношении компонентов. В сборную камеру 13 поступает множество струек из туннельных каналов 6 с разными концентрациями продуктов сгорания, они в результате взаимодействия друг с другом перемешиваются, обеспечивая необходимую полноту сгорания, уменьшая вредные концентрации продуктов неполного сгорания, которые поступают в атмосферу через вытяжную трубу 14. Туннельные каналы при вращении ротора 5 устройства типа термостат сообщаются с полостью заднего днища 10, заполненной сжатым воздухом. При движении сжатого воздуха по туннельным каналам 6 стенки массивного тела ротора передают полученную и аккумулирующую в себе теплоту сжатому воздуху. Нагретый до высокой температуры сжатый воздух поступает на вход турбины 2. Сжатый воздух расширяется в турбине 2, преобразуя теплоту в механическую энергию вращения и соответственно в электрическую на электрогенераторе 3. Сжатый воздух с оставшейся теплотой на выходе из турбины 2 поступает в распределительную камеру 11, заполняется новой порцией топлива, которая поддерживает процесс сгорания в туннельных каналах 6 ротора 5 устройства типа термостат, используя принцип детального равновесия, устанавливается стационарный тепловой режим, эквивалентный теплопередающей матрицы теплообменника. Стационарный тепловой режим обеспечивают необходимым соотношением компонентов топливной композиции, обеспечивая бессажевый режим горения. Нагрев массивного тела ротора 5 устройства типа термостат осуществляют до температуры, обеспечивающей жаропрочность материала стенки устройства, вплоть до предела ползучести, не достигая усталостных термических напряжений при длительном тепловом воздействии.
По сравнению с известными аналогами предлагаемый способ работы энергетической установки обладает повышенной эффективностью утилизации топлива благодаря конструктивной особенности роторного теплообменника, отличной от известных, а также выполнения его из керамических материалов, что повышает термический кпд, полноту сгорания и уменьшение вредных выбросов в атмосферу в виде компонентов неполного сгорания и благодаря тому, что компактное исполнение камеры сгорания, образованной распределительной камерой, туннельными каналами ротора и горелкой, являющейся теплопередающей матрицей роторного теплообменника, уменьшающего также массу и габариты установки в целом.