УСТАНОВКА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ С КОМПЛЕКСНОЙ УТИЛИЗАЦИЕЙ ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕГАЗОВОГО СЕКТОРА
POWER SUPPLY UNIT WITH COMPLEX RECYCLING OF OIL AND GAS INDUSTRY WASTES

Изобретение относится к области когенерации тепловой и электрической энергии, водоснабжения, утилизации промышленных отходов и может быть использовано на предприятиях нефтегазового комплекса.
Известна парогазовая установка для комбинированного производства тепловой и электрической энергии (патент РФ №2326246 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2008 г.). Она состоит из газотурбинной установки (ГТУ), соединенной с паровым котлом-утилизатором, и дополнительного парового котла-утилизатора, связанных с паровой теплофикационной турбиной, теплообменник конденсатора которой и пиковый бойлер, пар на который поступает от котлов-утилизаторов через редукционно-охладительную установку, включены в линию подогрева сетевой воды, поступающей к потребителю, и суховоздушной градирни с сетевым насосом рециркуляции, снабжена второй ГТУ, соединенной с дополнительным паровым котлом-утилизатором и дополнительным бойлером, причем дополнительный бойлер подсоединен по пару к отбору теплофикационной турбины, а по воде включен между теплообменником конденсатора и пиковым бойлером, к выходу которого подключена суховоздушная градирня с насосом рециркуляции.
Достоинством известной установки является возможность комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для целей теплоснабжения, применение дополнительного теплофикационного котла и размещение тепломеханической части установки в главном здании, позволяет повысить мощность тепловой и электрической нагрузки, маневренность ПГУ, минимизировать площадь занимаемую установкой.
К недостаткам установки можно отнести:
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию промышленных стоков, газообразных горючих отходов, что снижает экологическую безопасность объекта;
- отсутствие технических решений по использованию тяжелых нефтяных остатков для выработки синтез-газа;
- отсутствие возможности снижения расхода топлива на совместную выработку тепловой и электрической энергии;
- для пуска установки и ее эксплуатации в штатном режиме требуется наличие действующей системы водоснабжения;
- применение редукционно-охладительных установок на входах пара из котлов-утилизаторов в пиковый водогрейный котел сетевой воды, приводит к снижению энергоэффективности установки.
Известна схема установки для комбинированного производства водородосодержащего газа, электрической и тепловой энергии (патент РФ №2428459 по кл. F01K11, С10J3/20 опубл. в 2010 г.), включающая газогенератор, снабженный входами для твердого топлива и окислителя и выходами для газа, два котла-утилизатора, каждый из которых снабжен газовым и пароводяным трактами, блок очистки газа, снабженный отводом серосодержащего продукта, паротурбинную установку, на выходе которой установлен конденсатор, подогреватель конденсата с газовым и водяным трактами. Газогенератор дополнительно снабжен подводом пара от паротурбинной установки и отводом шлака. Выход пароводяного тракта первого котла-утилизатора подсоединен к входу паротурбинной установки. Второй котел-утилизатор содержит дополнительный выход для воды, соединенный с входом пароводяного тракта первого котла-утилизатора через бустерный насос. Выход конденсатора связан с входом водяного тракта подогревателя конденсата через конденсатный насос, а выход водяного тракта подогревателя конденсата связан с входом пароводяного тракта второго котла-утилизатора. Выход газового тракта подогревателя конденсата связан с выводом водородосодержащего газа через компрессор. Паротурбинная установка снабжена контуром отбора тепловой энергии.
Достоинством схемы является совмещение технологических процессов выработки водородосодержащего газа, электроэнергии и теплоты, кроме того, за счет применения котлов-утилизаторов двух давлений увеличиваются электрическая мощность и КПД энергетической установки, повышается надежность работы котла-утилизатора низкого давления в результате удаления серосодержащих газов.
Недостатками известной установки являются:
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию промышленных стоков, газообразных горючих отходов, это снижает экологическую безопасность объекта;
- отсутствие технических решений по использованию тяжелых нефтяных остатков для выработки синтез-газа;
- сложная схема очистки синтез-газа перед его непосредственным использованием в камере сгорания ГТУ, что снижает экономическую эффективность схемы;
- для пуска установки и ее эксплуатации в штатном режиме требуется наличие действующей системы водоснабжения.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является установка электро- тепло- водоснабжения (патент РФ №134993 F01K 17/02 опубл. 2013 г.), которая содержит газотурбинную установку - тепловой двигатель, подключенный по тракту выхлопных газов через дымовой шибер к паровому котлу-утилизатору и дополнительный паровой котел-утилизатор, выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной, кинематически соединенной с электрогенератором, теплообменник-конденсатор которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос; питательный насос; деаэратор с насосом, конденсатор воздушного охлаждения; нейтрализатор промстоков огневой с дымовой трубой, газоходом, шибером, форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком, входным топливным патрубком; насос пароструйный; охладитель водяного конденсата; фильтр водяного конденсата, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор, а выход дымовых газов из котла подключен к дымовой трубе нейтрализатора, форсунка размещена в дымовой трубе нейтрализатора, причем вход водяного конденсата в форсунку подключен к выходу охладителя водяного конденсата, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу деаэратора, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку дымовой трубы, вход пара в пароструйный насос подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов и, а вход водяного конденсата в пароструйный насос подключен к выходу теплообменника-конденсатора и к выходу конденсатора воздушного охлаждения, в нее дополнительно входят электрогенератор, кинематически соединенный с тепловым двигателем; дымовая труба с форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком (26) и байпасным патрубком дымовых газов, размещенная на котле-утилизаторе; устройство ввода реагента, размещенное в газоходе нейтрализатора, причем форсунка подключена к выходу охладителя водяного конденсата, а конденсатный патрубок подключен к входу в деаэратор.
Достоинством известной схемы является снижение затрат на строительство и эксплуатацию за счет повышения надежности и энергоэффективности совместной генерации электрической, тепловой энергии и технической воды, уменьшаются размеры платежей экологических сборов за сброс в атмосферу оксидов серы и захоронение промышленных и хозбытовых стоков, повышается экологическая безопасность за счет термического обезвреживания отходов.
К недостаткам рассмотренной схемы можно отнести: - отсутствие технических решений по утилизации тяжелых нефтяных остатков, с возможностью получения синтез-газа;
- отсутствия технических решений по использованию в качестве топлива синтез-газа, а следовательно, повышенное потребление топливного газа на термическую нейтрализацию промстоков и горючих газов.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, это повышение энергоэффективности и экологической безопасности установки энергообеспечения предприятий нефтегазового комплекса.
Техническим результатом, является комбинирование технологических процессов термической утилизации производственных отходов (горючих газов, стоков) с процессами газификации и выработки энергоресурсов (электрической, тепловой энергии, синтез-газа, водоснабжения), снижение удельного потребления топливного газа на выработку энергоресурсов и утилизацию отходов, повышение экологической безопасности и надежности схемы.
Поставленная проблема решается, тем, что в установке энергообеспечения с комплексной утилизацией отходов предприятий нефтегазового сектора присутствуют: газогенератор (1), на входе в который установлены подогреватель (2) и насос подачи (16) тяжелых нефтяных остатков, компрессор для подачи воздуха (17); на выходе из газогенератора (1) по тракту синтез-газа установлен паровой котел-утилизатор (3); печь нейтрализации (4) подключенную по дымовому тракту к паровому котлу-утилизатору (5), выходные паропроводы котлов-утилизаторов (3, 5) связаны с паровой турбиной (7), кинематически соединенной с электрогенератором (8); блок термической нейтрализации с печью нейтрализации (4) и дымовой трубой (6) оснащен форсункой подачи жидких стоков (26), форсункой водяного конденсата (23), патрубком отвода конденсата (24), входным топливным патрубком с газовым эжектором (14) и горелками (27), устройством ввода реагента (25); теплообменник-конденсатор (9) обеспечивающий теплофикационную нагрузку с сетевым насосом (19); деаэратор (10), питательный насос (18); емкость водяного конденсата (13) с блоками очистки (12) и воздушного охлаждения (11); выход дымовых газов печи-нейтрализации (4) подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор (5), а выход дымовых газов из котла (5) подключен к дымовой трубе (6); выход технической воды из трубы (6) подключен ко входу емкости сбора конденсата (13), в свою очередь выход водяного конденсата из емкости (13) соединен со входом фильтра водяного конденсата (12), а выход водяного конденсата (12) соединен со входом воздушного охладителя водяного конденсата (11), выход из которого подключен к форсунке водяного конденсата (23); сконденсированной вода после теплообменника-конденсатора (9) подается на вход в деаэратора (10) конденсатным насосом (22), а выход воды из деаэратора (10) подключен к питательному насосу (18).
Увеличение надежности - ресурса непрерывной работы, предлагаемой схемы обеспечивается высоконадежными, независимыми источниками пароснабжения теплофикационных турбин (7) - котла-утилизатора (3) и (5). Котел (5) подключен к работающей в непрерывном режиме печи нейтрализации (4), а котел (3) к газогенератору (1).
Снижению удельного потребления топливного газа на процессы когенерации и утилизации отходов способствует использование в качестве топлива на горелках печи нейтрализации (4) горючих газообразных и жидкофазных отходов, синтез-газа, вырабатываемого в газогенераторе (1), использующего в качестве сырья тяжелые нефтяные остатки.
Повышение энергоэффективности схемы, обеспечивается также за счет рекуперации теплоты дымовых газов, выходящих из печи нейтрализации (4) в котле-утилизаторе (5) и использования теплоты высокотемпературного потока синтез-газа после газогененратора (1) в котле-утилизаторе (3).
Экологическая безопасность предлагаемой схемы обеспечивается за счет термического обезвреживания в печи нейтрализации (4) газообразных отходов, промышленных стоков, воды промывки, дренажа (что исключает загрязнение литосферы и гидросферы при подземном хранении). Повышению экологической безопасности способствует также размещенное в дымоходе печи нейтрализации (4) устройство ввода реагента (25) (например раствор гашеной извести), что обеспечивает уменьшение (до исключения) загрязнения атмосферы оксидами серы при термическом обезвреживании газообразных отходов и промышленных и хозяйственно-бытовых стоков.
Установка иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема,
где 1 - газогенератор;
2 - подогреватель мазута;
3, 5 - котлы-утилизаторы;
4 - печь нейтрализации;
6 - дымовая труба;
7 - паровая турбина;
8 - электрогенератор;
9 - теплообменник конденсатор (подогреватель сетевой воды);
10 - деаэратор;
11 - теплообменник охладитель водяного конденсата;
12 - фильтр водяного конденсата;
13 - емкость сбора конденсата;
14 - газовый эжектор;
15 - подогреватель производственных стоков;
16, 18, 19, 20, 21, 22 - насосы (мазута, питательный, сетевой, технической воды, производственных стоков, конденсата);
17 - компрессор;
23 - форсунка водяного конденсата;
24 - патрубком отвода конденсата;
25 - устройством ввода реагента;
26 - форсунка подачи жидких стоков;
27 - входной топливный патрубок.
На чертеже также обозначены следующие технологические потоки: ТНО - тяжелые нефтяные остатки (мазут, гудрон, тяжелый каталитический газойль) на газификацию; В - воздух в газификатор и на горение в печь нейтрализации; СГ - синтез-газ (газ газификации); ДГ - дымовые газы; ГО - горючие газообразные отходы; ПС - производственные стоки; ДП - дутьевой пар; Д - дренаж; ВП - вода питательная; ПВ - прямая теплофикационная вода; ОВ - обратная теплофикационная вода; ВК - водяной конденсат; ТВ - техническая вода.
Установка энергообеспечения с комплексной утилизацией отходов предприятий нефтегазового сектора содержит: газогенератор (1), на входе в который установлены подогреватель (2) и насос подачи (16) тяжелых нефтяных остатков, компрессор для подачи воздуха (17); на выходе из газогенератора (1) по тракту синтез-газа установлен паровой котел-утилизатор (3); печь нейтрализации (4) подключенную по дымовому тракту к паровому котлу-утилизатору (5), выходные паропроводы котлов-утилизаторов (3, 5) связаны с паровой турбиной (7), кинематически соединенной с электрогенератором (8); блок термической нейтрализации с печью нейтрализации (4) и дымовой трубой (6) оснащен форсункой подачи жидких стоков (26), форсункой водяного конденсата (23), патрубком отвода конденсата (24), входным топливным патрубком с газовым эжектором (14) и горелками (27), устройством ввода реагента (25); теплообменник-конденсатор (9) обеспечивающий теплофикационную нагрузку с сетевым насосом (19); деаэратор (10), питательный насос (18); емкость водяного конденсата (13) с блоками очистки (12) и воздушного охлаждения (11); выход дымовых газов печи-нейтрализации (4) подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор (5), а выход дымовых газов из котла (5) подключен к дымовой трубе (6); выход технической воды из трубы (6) подключен ко входу емкости сбора конденсата (13), в свою очередь выход водяного конденсата из емкости (13) соединен со входом фильтра водяного конденсата (12), а выход водяного конденсата (12) соединен со входом воздушного охладителя водяного конденсата (11), выход из которого подключен к форсунке водяного конденсата (23); сконденсированной вода после теплообменника-конденсатора (9) подается на вход в деаэратора (10) конденсатным насосом (22), а выход воды из деаэратора (10) подключен к питательному насосу (18).
Установка энергообеспечения с комплексной утилизацией отходов предприятий нефтегазового сектора работает следующим образом:
В газогенератор (1) подаются на газификацию тяжелые нефтяные остатки (ТНО), воздух (кислород) (В) из компрессора (17) и дутьевой пар от теплофикационной паротурбинной установки (7) для осуществления процесса газификации. Образовавшийся высокотемпературный синтез-газ (СГ) направляется в паровой котел утилизатор (3) где охлаждается, отдавая тепло на парообразование и перегрев водяного пара, после чего используется в качестве греющего теплоносителя в теплообменнике (2), а потом в качестве топливного газа подается во входной топливный патрубок, чрез эжектор (14) на горелки (27) печи нейтрализации (4). В печь нейтрализации (4) для термической нейтрализации подаются предварительно нагретые в подогревателе (15) стоки промышленные, хозяйственно-бытовые, дренажи (ПС, Д) пригодные для термического обезвреживания, на термическую нейтрализацию поступают также горючие газообразные отходы (ГО) - низкопотенциальные углеводородные газы, при необходимости во входной топливный патрубок может подаваться природный топливный газ (ТГ).
За счет высоких температур и технической конструкции блока нейтрализации происходит полное термическое обезвреживание вредных веществ содержащихся в отходах, получаемый сухой остаток (СО) относится к низкому классу опасности.
Поток дымовых газов после печи нейтрализации, содержащий в себе водяные пары обезвреженных стоков и от сжигания углеводородного топлива, поступает по газоходу в котел-утилизатор (5), выходящий из газового тракта котла охлажденный поток дымовых газов направляется в дымовую трубу (6), предварительно для поглощения оксидов серы из потоков дымовых газов предусмотрено устройство ввода реагента (25).
С целью увлажнения и охлаждения ДГ после котла (5) и конденсации из них водяных паров в дымовой трубе (6) размещена форсунка подачи охлажденного водяного конденсата (23), куда подается водяной конденсат (ВК) после охлаждения в воздушном охладителе (11). Сконденсированная вода - неочищенный конденсат водяных паров поток (ВТ), через патрубок (24) дымовой трубы (6) отводится в емкость (13), откуда забирается насосом (20) на очистку в блок (12). Полученный таким образом на установке водяной конденсат (ВК) не содержит минеральных примесей и солей и без дополнительной очистки направляется на заполнение и подпитку водяного тракта котлов утилизаторов (3, 5) и сети теплоснабжения, кроме этого качество воды позволяет подавать ее на установку подготовки хозяйственно питьевой воды (ХВП).
Теплота потоков дымовых газов (ДГ) и синтез газа (СГ) рекуперируется в котлах-утилизаторах (3, 5), что позволяет вырабатывать перегретый водяной пар, который используется в теплофикационной турбине (7), часть пара может быть использована на технологические нужды.
Отработанный пар после турбины (7) подается на теплообменник конденсатор (подогреватель сетевой воды) (9), где происходит рекуперативный нагрев потока теплофикационной воды (ПВ) системы теплоснабжения. Водяной конденсат после конденсатора (9) конденсатным насосом (22) подается на деаэратор (10), откуда с помощью питательного насоса (18) в водяной тракт котлов-утилизаторов (3, 5).
Предлагаемая установка позволяет повысить энергоэффективность и экологическую безопасность генерации тепловой, электрической энергии, водоснабжения.
Экономический эффект от применения установки обусловлен снижением эксплуатационных затрат (в том числе на топливный газ) для когенерации тепловой и электрической энергии, водоснабжения, термической утилизации отходов, снижением размеров обязательных экологических платежей за выбросы, сбросы и захоронения в литосфере.