СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DISPOSITION OF ASSOCIATED GAS AND ENERGY MACHINE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии, утилизируя попутный нефтяной газ путем сжигания его в факелах без дополнительной очистки непосредственно после его получения в процессе добычи нефти на месторождении.
2
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 и 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.
Известны способ утилизации попутного нефтяного газа и устройство для его осуществления, включающий подачу воздуха и подачу попутного нефтяного газа в энергетическую машину, смешение и сжигание в ней с получением рабочего тела, преобразование теплоты рабочего тела в полезную нагрузку.
Устройство для осуществления вышеуказанного способа утилизации попутного нефтяного газа содержит энергетическую машину в виде двигателя внутреннего сгорания, кинематически соединенную с электрической машиной, для преобразования механической энергии в электрическую энергию [1] (P.M.Разетдинов, Ю.Р.Курамшин, A.M.Тахауов - НГДУ «Ямашнефть» ОАО «Татнефть», С.В.Волков - ООО «Турбомашины» Попутный нефтяной газ для выработки электроэнергии на месторождении; www.turbine-diesel.ru/rus/node/630).
В известном способе в энергетической машине используют двигатель внутреннего сгорания, т.е. тепловой двигатель, внутри которого происходят сжигание топлива в виде попутного нефтяного газа и преобразование выделившейся теплоты в механическую работу. В корпусе устройства весь рабочий процесс осуществляется в цилиндрах, в которых размещена поршневая группа с кривошипно-шатунным механизмом.
Такое техническое решение приводит к необходимости проведения предварительной подготовки попутного нефтяного газа (фильтрации, сепарации, осушки), оно приводит к ограничению геометрических параметров устройства, в которых не удается обеспечить большой секундный расход попутного нефтяного газа в одном устройстве. Оно требует создания инфраструктуры подготовки, накопления, хранения попутного нефтяного газа, и в то же время требует квалифицированного обслуживания газопоршневой электростанции, главным образом, небольшой мощности одного агрегата, например, мощностью 200 кВт.
Известны также способ утилизации попутного нефтяного газа и устройство для его осуществления, включающий подачу воздуха и подачу попутного нефтяного газа в энергетическую машину, сжигание, получение рабочего тела и преобразование тепловой энергии в механическую, используя лопаточную машину.
Устройство для осуществления вышеуказанного способа утилизации попутного нефтяного газа содержит энергетическую машину в виде газотурбинного двигателя, включающий корпус, элементы подвода воздуха и элементы подвода попутного нефтяного газа, компрессор, устройство смешения, камеру сгорания, сопловой аппарат, лопаточную машину в виде газовой турбины, выходное устройство вывода продуктов сгорания в атмосферу, кинематически соединенную с электрической машиной [2] (Энергия факела. Проблема утилизации попутного нефтяного газа. www.gt.nposaturn.ru/about/publication/publication 06.html - Сатурн - Газовые турбины).
В известном способе утилизации попутного нефтяного газа и устройстве для его осуществления используется энергетическая машина, основой которой является газотурбинный двигатель. Ограничение геометрических параметров устройства приводит к тому, что не удается обеспечить большой секундный расход попутного нефтяного газа и воздуха в одном устройстве. Такое техническое решение требует создания инфраструктуры подготовки, накопления, хранения попутного нефтяного газа, и в то же время требует дорогостоящего квалифицированного обслуживания газотурбинной электростанции, главным образом, средней мощности одного агрегата, например, мощностью 2,5-8 МВт, имеющей небольшой межремонтный ресурс.
В предлагаемом техническом решении ставятся задачи:
- обеспечения экономичной бесперебойной переработки любого секундного расхода попутного нефтяного газа в качестве топлива без дополнительной его очистки непосредственно после его получения в процессе добычи нефти на месторождении при безопасных низких давлениях в магистрали подачи попутного нефтяного газа;
- снятие ограничений геометрических параметров энергетической машины, обеспечивающей преобразование химической энергии попутного нефтяного газа в полезную нагрузку;
- обеспечение простоты технического обслуживания энергетической машины, не требующей высокой квалификации персонала.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе утилизации попутного нефтяного газа, включающем подачу воздуха и подачу попутного нефтяного газа в энергетическую машину, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку, при этом в поле силы тяжести создают положительную разницу плотностей сред на входе и выходе энергетической машины, причем среду с меньшей плотностью в виде нагретого рабочего тела получают на выходе из энергетической машины и располагают выше, по меньшей мере, в десятки метров, по высоте по отношению к среде с большей плотностью атмосферного воздуха на входе в энергетическую машину, обеспечивая горение попутного нефтяного газа в сообщенном с атмосферой во внутреннем объеме энергетической машины, при этом передачу теплоты сгорания рабочему телу производят путем свободной конвекции в поле силы тяжести при неравномерном нагреве снизу потока рабочего тела и/или путем нагрева твердой стенки корпуса, теплоизолированного снаружи, энергетической машины, выполненной из материала с хорошей теплопроводностью, и передачи теплоты за счет теплопроводности вдоль стенки корпуса энергетической машины и теплоотдачи от твердой стенки корпуса энергетической машины в поток рабочего тела по мере удаления от зоны горения, обеспечивая распределение теплоты по объему.
Способствует достижению технического результата энергетическая машина для осуществления вышеописанного способа утилизации попутного нефтяного газа, содержащая корпус, лопаточную машину, кинематически соединенную с агрегатом полезной нагрузки, камеру сгорания и элементы подвода атмосферного воздуха, попутного нефтяного газа, при этом новым является то, что корпус энергетической машины выполнен в виде вытяжной трубы, вход которой герметично соединен с корпусом струйного насоса с внутренней поверхностью, профилированной линиями тока, формирующими течение атмосферного воздуха при свободном доступе из атмосферы, образуя камеру сгорания, где размещены элементы подвода попутного нефтяного газа, при этом выход вытяжной трубы сообщен с атмосферой, кроме этого, на выходе вытяжной трубы установлена, по меньшей мере, одна лопаточная машина, кинематически соединенная с агрегатом полезной нагрузки, а в качестве агрегата полезной нагрузки может быть использован электрогенератор, при этом перед камерой сгорания установлена, по меньшей мере, одна лопаточная машина, кинематически соединенная с агрегатом полезной нагрузки, или на выходе вытяжной трубы и перед камерой сгорания установлены, по меньшей мере, по одной лопаточной машине, кинематически соединенных с агрегатами полезной нагрузки, при этом агрегаты полезной нагрузки соединены между собой с возможностью осуществления взаимного энергетического обмена.
Способствует достижению технического результата также и то, что энергетическая машина снабжена газогенератором с каналом дополнительного подвода воздуха, каналом дополнительного подвода попутного нефтяного газа, запального устройства, при этом в ней корпус струйного насоса выполнен в виде, по меньшей мере, одной вихревой камеры, в которой, по меньшей мере, один газогенератор расположен тангенциально вихревой камере, с возможностью инжектирования атмосферного воздуха по оси вихревой камеры.
На фиг.1 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, в которой преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку осуществляют с использованием лопаточной машины.
На фиг.2 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, в которой преобразование энергии потока атмосферного воздуха в полезную нагрузку осуществляют лопаточной машиной с низкой частотой вращения.
На фиг.3 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, в которой осуществляют преобразование энергий рабочего тела и потока атмосферного воздуха в полезную нагрузку.
На фиг.4 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, в которой осуществляют преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку с использованием струйного вихревого насоса.
На вышеуказанных фигурах стрелками показана схема движения возникающего в устройстве потока атмосферного воздуха и рабочего тела, полученного в результате процесса сжигания попутного нефтяного газа в энергетической машине.
Энергетическая машина, осуществляющая утилизацию попутного нефтяного газа, представленная схемой продольного разреза на фиг.1, содержит корпус, в котором размещены элементы 1 подвода попутного нефтяного газа, канал 2 подвода атмосферного воздуха, канал 3 отвода рабочего тела. На выходе канала 3 отвода рабочего тела установлена лопаточная машина 4, кинематически соединенная с агрегатом 5 полезной нагрузки, в качестве которой может быть использован электрогенератор. В корпусе размещена камера сгорания 6, выполненная с возможностью сжигания неочищенного попутного нефтяного газа.
Корпус энергетической машины выполнен в виде вытяжной трубы 7, вход которой герметично соединен с корпусом 8 струйного насоса, внутренняя поверхность которого спрофилирована линиями тока, формирующими течение воздуха при свободном доступе его из атмосферы. При этом выход вытяжной трубы 7 каналом 3 сообщен с атмосферой на высоте, определяемой длиной вытяжной трубы 7. Поэтому плотность воздуха атмосферы на входе канала 2 корпуса 8 струйного насоса больше плотности воздуха атмосферы на выходе канала 3 вытяжной трубы 7. Стенка вытяжной трубы 7 выполнена из материала с хорошей теплопроводностью, а с наружной стороны стенка покрыта теплоизолирующим материалом 9.
Внутренняя поверхность корпуса 8 струйного насоса спрофилирована линиями тока, формирующими течение воздуха с минимальными потерями напора при свободном доступе его из атмосферы. Во входном устройстве струйного насоса расположен направляющий аппарат 10 с радиальными перегородками 11.
Плотность воздуха атмосферы на входе канала 2 корпуса 8 струйного насоса больше плотности воздуха атмосферы на выходе канала 3 вытяжной трубы 7 на величину, определяемую высотой столба атмосферного воздуха от уровня поверхности земли, на которой расположено выходное сечение выхода канала 3 вытяжной трубы 7.
Энергетическая машина, осуществляющая утилизацию попутного нефтяного газа, представленная схемой продольного разреза на фиг.2, отличается от энергетической машины, представленной на фиг 1, иным техническим решением, а именно путем расположения в канале 2 подвода атмосферного воздуха корпуса 8 струйного насоса лопаточной машины 12 с меньшей частотой вращения и, кинематически соединенной с ней агрегатом 13 полезной нагрузки. Это техническое решение продиктовано необходимостью утилизации увеличенных расходов попутного нефтяного газа и большей геометрии лопаточной машины с низкой частотой вращения.
Такое расположение лопаточной машины обеспечивает ее оптимальное крепление в корпусе 8 струйного насоса, простоту эксплуатации, ослабление влияния агрессивных компонентов состава попутного нефтяного газа на конструкцию энергетической машины.
Энергетическая машина, представленная схемой продольного разреза на фиг.3, отличается от энергетической машины, представленной на фиг.1 тем, что она снабжена расположенной в канале 2 подвода атмосферного воздуха корпуса 8 струйного насоса дополнительной лопаточной машиной 12, имеющей меньшую частоту вращения, кинематически соединенной с дополнительным агрегатом 13 полезной нагрузки, в качестве которой может быть использован электрогенератор, чем лопаточная машина 4, которая расположена во внутренней полости канала 3 отвода рабочего тела на выходе вытяжной трубы 7. Агрегаты полезной нагрузки 5, 13 соединены между собой с возможностью осуществления взаимного обмена энергиями.
Такое техническое решение продиктовано не только увеличенной массой секундного расхода попутного нефтяного газа и большей геометрии дополнительной лопаточной машины 12, но и экологической составляющей работы энергетической машины, а именно уменьшением тепловой нагрузки на атмосферу от отвода рабочего тела путем передачи энергии лопаточной машине 4. При этом возникает возможность оптимизации рабочего процесса энергетической машины за счет осуществления взаимного обмена энергиями между агрегатами полезной нагрузки.
На фиг.4 представлена схема энергетической машины в продольном разрезе, которая содержит корпус 8 струйного насоса, в котором выполнена вихревая камера 14. Вихревая камера 14 имеет каналы 15, которые сообщают внутреннюю полость канала 2 подвода холодного атмосферного воздуха с внутренней полостью вихревой камеры 14, а каналы 16 сообщают внутреннюю полость вихревой камеры 14 с каналом 3 отвода продуктов сгорания и части холодного атмосферного воздуха, не участвующего в процессе горения, образующего рабочее тело. На корпусе вихревой камеры 14 закреплен корпус 17 газогенератора, который содержит линию 18 дополнительного подвода воздуха и линию 19 дополнительного подвода попутного нефтяного газа, запальное устройство 20. В корпусе 17 газогенератора размещена камера сгорания 21 газогенератора. Корпус 17 газогенератора расположен тангенциально вихревой камере с возможностью засасывания (инжектирования) холодного воздуха из атмосферы по оси энергетической машины.
Энергетическая машина, осуществляющая утилизацию попутного нефтяного газа, представленная схемой продольного разреза на фиг.4, отличается от других решений более высокими показателями экономической составляющей работы энергетической машины по утилизации попутного нефтяного газа при высоких показателях экологической составляющей работы энергетической машины, а именно уменьшение тепловой нагрузки на окружающую среду (атмосферу) от отвода рабочего тела.
Работает энергетическая машина следующим образом.
Попутный нефтяной газ через элементы 1 подвода попутного нефтяного газа вместе со свободно поступающим холодным воздухом из атмосферы по каналу 2 в корпусе 8 струйного насоса с минимальными потерями напора подается в камеру сгорания 6 и сжигается, используя часть поступившего холодного воздуха из атмосферы, необходимую для сжигания, выделяя определенное количество теплоты. Другая часть холодного атмосферного воздуха, не участвующего в процессе горения вместе с продуктами сгорания, образуя рабочее тело, вводится в канал 3 отвода рабочего тела корпуса энергетической машины, выполненного в виде вытяжной трубы 7, который сообщается с атмосферой выше, по меньшей мере, в десятки метров, по высоте, определяемой длиной вытяжной трубы 7. Таким образом, в поле силы тяжести создают положительную разницу плотностей сред на входе и выходе энергетической машины, при этом среда с меньшей плотностью в виде нагретого рабочего тела создается на выходе из энергетической машины и располагается выше по высоте по отношению к среде с большей плотностью атмосферного воздуха на входе в энергетическую машину, обеспечивая горение попутного нефтяного газа во внутреннем объеме энергетической машины, сообщенном с атмосферой.
В канале 3 отвода рабочего тела между двумя теплоносителями потока холодного атмосферного воздуха и нагретого потока продуктов сгорания попутного нефтяного газа происходит теплообмен за счет свободной конвекции, возникающей в поле силы тяжести при неравномерном нагреве по сечению на входе канала 3 отвода рабочего тела. При нагреве снизу в потоке под действием архимедовой силы перемещается поток продуктов сгорания относительно менее нагретого потока, т.е. холодного атмосферного воздуха в направлении, противоположном направлению силы тяжести, выравнивая температуру, образуя рабочее тело на выходе канала 3 отвода рабочего тела с заданными параметрами температуры или плотности, увеличивая скорость движения рабочего тела в нем.
Для увеличения положительной разницы плотностей сред на входе и выходе энергетической машины канал 3 отвода рабочего тела выполнен теплоизолированным снаружи, а стенка вытяжной трубы 7 выполнена из материала с хорошей теплопроводностью, для создания условий для распределения теплоты по объему корпуса энергетической машины. Уменьшение плотности рабочего тела достигают также за счет теплопередачи между продуктами сгорания в зоне горения и поверхностью твердой стенки вытяжной трубы 7, распределения теплоты по стенке вытяжной трубы 7 вдоль канала 3 отвода продуктов сгорания и обратного теплообмена путем передачи теплоты от стенки канала 3 соприкасающейся с ней теплоносителю в виде потока рабочего тела вдали от зоны горения.
Работа вытяжной трубы 7 основана на использовании тяги, образуемой за счет различия плотности нагретых газов внутри трубы и столба холодного атмосферного воздуха такой же высоты вне трубы. Таким образом, в канале 3 вытяжной трубы 7 создается эжекторно-вытяжной поток продуктов сгорания, который перемещает по каналу 3 вытяжной трубы 7 определенную массу нагретого газа.
По мере продвижения рабочего тела к выходу по каналу 3 вытяжной трубы 7 температура рабочего тела повышается за счет охлаждения стенки вытяжной трубы 7, поэтому рабочее тело в канале 3 вытяжной трубы 7 дополнительно разгоняется и скорость потока достигает своего максимального значения на выходе из вытяжной трубы 7, что и определяет выгодное место расположения лопаточной машины 4 (фиг.1).
На выходе канала 3 вытяжной трубы 7 расположена лопаточная машина 4, использующая кинетическую энергию эжекторно-вытяжного потока рабочего тела для своего вращения. Крутящий момент от лопаточной машины 4 кинематически передается на агрегат 5 полезной нагрузки, например, в виде электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию.
Объем (масса) перемещаемого нагретого рабочего тела зависит от следующих факторов: геометрических параметров вытяжной трубы 7 и канала 2 подвода холодного атмосферного воздуха в корпусе 8 струйного насоса, величины расхода и энергетических характеристик попутного нефтяного газа, давления (напора) в канале 1 линии подвода попутного нефтяного газа.
Сжигание попутного нефтяного газа в камере сгорания 6 с наибольшей эффективностью достигается в турбулентном потоке, что может определить другое выгодное расположение дополнительной лопаточной машины 12 с агрегатом 13 полезной нагрузки, например электрогенератором в канале 2 подвода холодного атмосферного воздуха во внутренней полости корпуса 8 струйного насоса перед камерой сгорания 6 (фиг.2).
В случае требований, предъявляемых к энергетической машине по увеличению секундного массового расхода попутного нефтяного газа и больших геометрических параметров дополнительной лопаточной машины 12, при соблюдении в то же время экологических характеристик в работе энергетической машины, а именно уменьшение тепловой нагрузки на атмосферу от отвода рабочего тела, энергетическая машина должна содержать не только лопаточную машину 12, расположенную в потоке холодного атмосферного воздуха, но и лопаточную машину 4, использующую наибольшую кинетическую энергию рабочего тела на выходе вытяжной трубы 7.
В тех случаях, когда массовые и габаритные показатели энергетической машины имеют определяющее значение, применение вихревых эжекторов оказывается предпочтительным перед струйными. В этих случаях воздух из атмосферы поступает по линии 18 дополнительного подвода воздуха, поток попутного газа по линии 19 дополнительного подвода попутного нефтяного газа поступает в камеру сгорания 21 в корпусе 17 газогенератора и с помощью запального устройства 20 воспламеняется и продукты сгорания поступают во внутреннюю полость корпуса вихревой камеры 14. Продукты сгорания в вихревой камере смешиваются с поступающим холодным атмосферным воздухом по каналу 15, образуя рабочее тело и поступают по каналу 16 в канал 3 отвода продуктов сгорания вытяжной трубы 7. Корпус 17 газогенератора расположен тангенциально вихревой камере, с возможностью засасывания (инжектирования) холодного воздуха из атмосферы по оси энергетической машины.
Преимущества предлагаемого способа утилизации попутного нефтяного газа и энергетической машины для его осуществления заключаются в следующем:
- обеспечивается бесперебойная переработка любого секундного расхода попутного нефтяного газа в качестве топлива без дополнительной его очистки непосредственно после его получения в процессе добычи нефти на месторождении при безопасных низких давлениях в магистрали подачи попутного нефтяного газа;
- снимаются ограничения геометрических параметров энергетической машины, обеспечивающей преобразование химической энергии попутного нефтяного газа в полезную нагрузку;
- обеспечивается простота технического обслуживания энергетической машины, не требующей высокой квалификации технического персонала.
По предварительной оценке предлагаемый способ утилизации попутного нефтяного газа сжиганием попутного нефтяного газа в предлагаемой энергетической машине, при вытяжной трубе высотой 40 м, при давлении в линии подачи попутного нефтяного газа 0.2 МПа обеспечит не менее 0,25 кВт·ч электроэнергии с каждого кубометра попутного нефтяного газа.