Способ использования установки на основе органического цикла Ренкина для обеспечения тепловой энергией объектов установки промысловой подготовки нефти
METHOD OF USE OF ORGANIC RANKINE CYCLE PLANT FOR PROVIDING OBJECTS OF CRUDE OIL TREATING PLANT WITH HEAT ENERGY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нефтяной промышленности и может использоваться на установках промысловой подготовки нефти (УППН) для нагрева нефти и воды с использованием тепла, полученного при сгорании природного или попутного нефтяного газа.
Уровень техники
Известна энергетическая система на основе органического цикла Ренкина для сжигания попутного нефтяного газа (патент РФ №2573541, МПК F02C 3/00, дата публ. 20.01.2016), включающая в себя масляный котел, контур с промежуточным теплоносителем, соединяющий котел и установку на основе органического цикла Ренкина (Organic Rankine Cycle - ORC), представляющую собой замкнутый контур с органическим рабочим телом, содержащим турбину на валу с электрогенератором, испаритель, конденсатор, теплообменник-рекуператор и насос, систему охлаждения установки. Система снабжена горелочным устройством для полного сгорания попутного нефтяного газа, установленным в масляном котле, байпасной линией, соединяющей трубопровод для отвода отработанных газов в топочное пространство масляного котла, а также линией подачи воздуха, подключенной к горелочному устройству для полного сгорания природного или попутного нефтяного газа и проходящей через теплообменник системы охлаждения установки на основе органического цикла Ренкина.
Недостатком данного способа использования энергетической системы на основе цикла Ренкина является то, что система используется в узком диапазоне применения, только для выработки электроэнергии.
Известна трубчатая нагревательная печь (патент РФ №2409610, кл. МПК C10G 9/20, дата публ. 20.01.2011), включающая футерованную жаропрочным материалом радиантную камеру, радиантный продуктовый змеевик, состоящий из труб, соединенных между собой двойниками и подвешенных на кронштейнах, закрепленных к стенке радиантной камеры, под с горелочными устройствами, свод, футерованную жаропрочным материалом конвективную камеру, конвективный продуктовый змеевик, состоящий из оребренных труб, установленных в отверстия опорных решеток и соединенных между собой двойниками, переходник и дымовую трубу, при этом каждая из труб радиантного и конвективного продуктового змеевиков надета в трубу-оболочку, а зазор между трубами и трубами-оболочками заполнен микропористым теплопередающим порошком.
Недостатком при эксплуатации данного оборудования является узкий диапазон применения печи.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по достигаемому техническому результату является схема нагрева объектов УППН, в которых источником тепла являются печи ПТБ (РД 3688-00220302-003-04 Руководящий документ. Трубчатые нагревательные печи. Требования к проектированию, изготовлению и эксплуатации. Заменен на ГОСТ Р 53682-2009 "Установки нагревательные для нефтеперерабатывающих заводов. Общие технические требования" от 07.12.2011 г.; «Инструкция по эксплуатации трубчатых печей ПТБ-10/64», ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», г. Пермь, 2004 г,), предназначенные для огневого нагрева водонефтяной продукции скважин. Принцип работы печи ПТБ заключается в том, что нагреваемый продукт при своем движении по секциям змеевика нагревается за счет тепла, отдаваемого продуктами сгорания природного, попутного газа или их смеси, сжигаемой в камерах сгорания и поступающей в пространство теплообменной камеры, представляющей собой металлическую пространственную конструкцию, состоящую из каркаса, наружных и внутренних обшивок, пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом. В нижней части корпуса камеры расположены отверстия для установки и крепления камер сгорания. Внутри теплообменной камеры расположены змеевики, состоящие из стальных труб. Нагреваемый продукт (сырая нефть, товарная нефть, вода для установки обессоливания и обезвоживания (ООУ)) после нагрева в змеевиках теплообменной камеры направляют для дальнейшей подготовки на УППН.
Недостатком печей ПТБ является низкий коэффициент полезного действия (не более 67%), низкий теплообмен поверхностей нагрева вследствие забивания поверхности оребренных труб змеевиков продуктами горения, что приводит к дополнительному расходу топлива и снижению надежности эксплуатации печи, а также узкий диапазон функционального использования печи.
Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение коэффициента полезного использования установки (до 90%) за счет расширения диапазона использования, включающего обеспечение как тепловой, так и электрической энергией объектов установки промысловой подготовки нефти.
Техническим результатом предлагаемого способа является также повышение степени надежности обеспечения тепловой энергией объектов установки промысловой подготовки нефти.
Технический результат, заключающийся в расширении диапазона использования, достигается благодаря тому, что нагретый в термомасляном котле за счет сжигания газа промежуточный теплоноситель направляют в установку на основе органического цикла Ренкина, нагревают им рабочую жидкость до парообразного состояния, после чего паром рабочей жидкости производят нагрев холодной воды, поступившей на установку на основе органического цикла Ренкина с теплообменников нагрева сырой нефти, товарной нефти, нагрева воды для ООУ УППН, и далее горячую воду направляют обратно на теплообменники нагрева сырой нефти, товарной нефти, нагрева воды для ООУ УППН, при этом парообразную рабочую жидкость направляют также на турбину электрогенератора для выработки электроэнергии.
Технический результат, заключающийся в повышении степени надежности используемого способа, достигается тем, что нагрев сырой нефти, товарной нефти, воды для установки обессоливания и обезвоживания (ООУ) УППН производят также путем передачи им тепловой энергии от горячей воды, нагреваемой в теплообменнике «горячий промежуточный теплоноситель/вода» по циклическому водяному контуру, включающему гидравлически связанные между собой теплообменник «горячий промежуточный теплоноситель/вода», теплообменники нагрева сырой нефти, товарной нефти, нагрева воды для ООУ УППН, при этом промежуточный теплоноситель нагревают в термомасляном котле.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 изображена система обеспечения тепловой энергией объектов установки промысловой подготовки нефти (УППН) с использованием установки на основе органического цикла Ренкина, реализующая предлагаемый способ.
Осуществление изобретения
Способ обеспечения тепловой энергией объектов установки промысловой подготовки нефти (УППН) с использованием установки на основе органического цикла Ренкина реализуется через систему, включающую:
а) циклический контур работы рабочей жидкости (органического масла) внутри установки на основе органического цикла Ренкина,
б) циклический контур работы промежуточного теплоносителя (диатермического масла - далее ДТМ),
в) основной циклический контур, через который осуществляется передача тепла от рабочего теплоносителя (органического масла) с установки на основе органического цикла Ренкина на объекты УППН,
г) дополнительный циклический контур, через который осуществляется передача тепла от промежуточного теплоносителя (ДТМ) с использованием участков трубопроводов основного циклического водяного контура на объекты УППН.
Элементами системы указанных контуров, обеспечивающими тепловой энергией объекты установки промысловой подготовки нефти (УППН) с использованием установки на основе органического цикла Ренкина и реализующими предлагаемый способ, являются:
- узел 1 смешения и редуцирования природного и попутного нефтяного газа,
- термомасляный котел 2,
- трубопровод 3 подачи смеси попутного нефтяного газа (пнг) и природного газа от узла 1 на горелку термомасляного котла 2,
- коллектор 4 с группой насосов прямой подачи нагретого ДТМ на установку на основе органического цикла Ренкина 6,
- трубопровод 5 подачи промежуточного теплоносителя (диатермического масла) от коллектора 4 на установку на основе органического цикла Ренкина 6,
- установка на основе органического цикла Ренкина (ORC-модуль) 6,
- теплообменник 7 (диатермическое масло-вода) дополнительного циклического контура,
- трубопровод 8 подвода промежуточного теплоносителя (ДТМ) от коллектора 4 на теплообменники 7 дополнительного циклического контура,
- коллектор 9 с группой насосов обратной подачи охлажденного ДТМ в термомасляный котел 2,
- трубопровод 10 подачи охлажденного ДТМ от теплообменника 7 через коллектор 9 на вход термомасляного котла 2,
- трубопровод 11 вывода охлажденного ДТМ из установки на основе органического цикла Ренкина 6 через коллектор 9 на вход термомасляного котла 2,
- расширительный мембранный бак 12 для регулирования подачи и откачки промежуточного теплоносителя (ДТМ), гидравлически связанного с установкой на основе органического цикла Ренкина 6.
Установка на основе органического цикла Ренкина 6 включает в себя:
- испаритель 13, в котором происходит передача тепла от промежуточного теплоносителя (ДТМ) к рабочей жидкости (органическому маслу),
- трубопровод 14 подачи пара, образовавшегося из рабочей жидкости, на колесо турбины 15,
- конденсатор 16, в который поступают: а) излишки пара рабочей жидкости по трубопроводу 17 от испарителя 13, б) охлажденный пар рабочей жидкости по трубопроводу 18 от турбины 15, в) охлажденная вода основного циклического контура с объектов УППН по трубопроводу 30,
- трубопровод 19 возврата охлажденной рабочей жидкости из конденсатора 16 обратно в испаритель 13,
- воздушные охладители (эйркуллеры) 20 с трубопроводом 21 подвода горячей воды от установки на основе органического цикла Ренкина 6, требующей охлаждения, и трубопроводом 22 отвода охлажденной до необходимой температуры воды обратно в установку на основе органического цикла Ренкина 6.
Элементами объектов установки промысловой подготовки нефти (УППН), потребляющими тепловую энергию установки на основе органического цикла Ренкина 6 через водяной теплоноситель, являются теплообменники 23 блока нагрева сырой нефти, поступающей с промысла; теплообменники 24 блока нагрева товарной нефти; теплообменники 25 блока нагрева пресной воды для ООУ; бытовые помещения (административно-бытовой корпус, пожарная часть, столовая и т.д - на схеме не показаны).
Основной циклический контур, через который осуществляется передача тепловой энергии от рабочего теплоносителя (органического масла) установки на основе органического цикла Ренкина 6 на объекты УППН, включает:
- основной трубопровод 26 подачи горячей воды с установки на основе органического цикла Ренкина 6,
- трубопровод 27 подвода горячей воды от основного трубопровода 26 к теплообменникам 23 блока нагрева сырой нефти, поступающей с промысла,
- трубопровод 28 подвода горячей воды от основного трубопровода 26 к теплообменникам 24 блока нагрева товарной нефти,
- трубопровод 29 подвода горячей воды от основного трубопровода 26 к теплообменникам 25 блока нагрева пресной воды для ООУ,
- основной трубопровод 30 отвода охлажденной воды, поступающей на вход конденсатора 16 установки на основе органического цикла Ренкина 6,
- трубопровод 31 отвода охлажденной воды с теплообменников 23 нагрева сырой нефти УППН, гидравлически соединенный с основным трубопроводом отвода 30,
- трубопровод 32 отвода охлажденной воды с теплообменников 24 блока нагрева товарной воды УППН, гидравлически соединенный с основным трубопроводом отвода 30,
- трубопровод 33 отвода охлажденной воды с теплообменников 25 блока нагрева пресной воды для ООУ.
Дополнительный циклический контур передачи тепловой энергии на объекты УППН от промежуточного теплоносителя (ДТМ) с термомасляного котла 2 включает:
- трубопровод 34 отвода охлажденной воды с теплообменников 23, 24, 25 объектов УППН, через трубопроводы 31, 32, 33 и участок трубопровода 30, на теплообменник 7
- трубопровод 35 подвода горячей воды с теплообменника 7, через трубопроводы 27, 28, 29 и участок трубопровода 26 на теплообменники 23, 24, 25 объектов УППН с установки на основе органического цикла Ренкина 6.
Работа по обеспечению установки промысловой подготовки нефти (УППН) тепловой энергией с использованием установки на основе органического цикла Ренкина осуществляется следующим образом: попутный нефтяной газ или его смесь с природным газом, или природный газ направляют на горелку термомасляныго котла 2 через узел смешения и редуцирования 1 по трубопроводу 3. В качестве основного топлива в термомасляном котле 2 используют попутный нефтяной газ (далее - пнг), в качестве резервного топлива - природный газ или смесь пнг и прородного газа. В случае, если давление или теплотворная способность основного топлива ниже необходимого уровня, узел смешения и редуцирования 1 автоматически подмешивает резервное к основному топливу в необходимом для горения количестве, либо полностью заменяют подачу пнг на подачу резервного топлива.
Узел смешения и редуцирования 1 предназначен для регулирования подачи топлива в термомаляный котел 2 с целью нагрева промежуточного теплоносителя, в качестве которого используют диатермическое масло (далее - ДТМ), например «Терминол-66», термическая стабильность которого 345°С. При использовании теплопроводящей жидкости в указанных специфических условиях конкретного промышленного применения, с показателем термической стабильности теплоносителя ниже указанного, происходит образование и накопление низкокипящих продуктов разложения и высококипящих продуктов распада, что приводит к коксованию и засорению теплопроводящей системы, снижая ее долговечность.
Нагретое ДТМ от термомасляного котла 2 перекачивают группой насосов в коллектор 4 прямой подачи ДТМ. Из коллектора 4 нагретое ДТМ по трубопроводу 5 направляют на установку на основе органического цикла Ренкина 6 и (или) по трубопроводу 8 на теплообменник 7 (диатермическое масло/вода). Регулируют потребление тепловой энергии диатермического масла установкой на основе органического цикла Ренкина 6 или теплообменником 7 путем оценки температуры обратной подачи ДТМ, которое возвращают в термомасляный котел 2 по трубопроводу 10 и 11 через коллектор 9 обратной подачи масла от всех потребителей тепла. При высокой обратной температуре ДТМ снижают подачу газа на горелку термомасляного котла 2.
Насосы для перекачки диатермического масла выполняют на отдельных платформах и устанавливают на оптимально близком расстоянии от термомасляного котла 2 для получения минимальной длины участка трубопровода 5 подачи ДТМ на установку на основе органического цикла Ренкина 6, находящегося под высоким давлением масла.
Расширительный мембранный бак 12 сбора масла, используемый для поддержания рабочего давления в контуре, например, для откачивания ДТМ из системы нагрева на период ее обслуживания или в случае утечки ДТМ из трубопроводов гидравлически связан с трубопроводом 5 подачи ДТМ на установку на основе органического цикла Ренкина 6 и трубопроводом 11 обратной транспортировки ДТМ из установки на основе органического цикла Ренкина 6.
Цикличность движения ДТМ обеспечивают наличием коллекторов прямой подачи 4 и обратной подачи 9 ДТМ.
Работу контура ДТМ на установке на основе органического цикла Ренкина 6 осуществляют следующим образом. Из термомасляного котла 2 ДТМ с температурой 280-302°С, расходом 65-70 кг/с, давлением 0,5 МПа направляют в коллектор 4 прямой подачи ДТМ и далее по трубопроводу 5 на испаритель 13 установки на основе органического цикла Ренкина 6, где за счет теплообмена ДТМ отдает часть тепла рабочей жидкости. После теплоотдачи охлажденное ДТМ с температурой 242°С направляют по трубопроводу 11 через коллектор 9 обратной подачи, трубопровод 10 и систему задвижек и насосов циркуляции обратно в термомасляный котел 2, где снова осуществляют нагрев ДТМ за счет сжигания поступающей смеси попутного нефтяного газа и природного газа, что позволяет эффективно утилизировать попутный нефтяной газ, снижая выбросы в атмосферу.
Работу контура ДТМ на теплообменник 7 осуществляют следующим образом. Одновременно (или периодически) с работой контура ДТМ на установке на основе органического цикла Ренкина 6, ДТМ из термомасляного котла 2 с температурой 280-290°С, расходом 65-70 кг/с, давлением 0,5 МПа направляют через коллектор прямой подачи 4 и трубопровод 8 на вход теплообменник 7, в котором происходит передача тепловой энергии охлажденной воде, поступающей в теплообменник 7 по трубопроводу 34 с трубопроводов 31,32,33 через участок основного трубопровода отвода 30. Работа контура ДТМ на теплообменник 7 осуществляется в случае остановки работы контура ДТМ на установке на основе органического цикла Ренкина 6 или параллельно с ним.
Работа контура рабочей жидкости, в качестве которой используют органическое масло, на установке на основе органического цикла Ренкина 6 осуществляется следующим образом: рабочую жидкость с температурой 260-262°С и давлением 0,97 МПа, находящуюся в конденсаторе 16 установки на основе органического цикла Ренкина 6, по трубопроводу 19 направляют через промежуточный подогреватель в испаритель 13, нагревая в нем до температуры кипения. В испарителе 13 рабочая жидкость, дополнительно нагретая передачей тепла от ДТМ до 265°С (Р=0,93 МПа), испаряется с образованием пара, подаваемого далее по трубопроводу 14 на колесо турбины 15, приводящей в действие электрогенератор. Крутящий момент на валу турбины-генератора 15 регулируется за счет подачи насыщенного пара рабочей жидкости. Выработанный после турбины 15 пар, в режиме циркуляции, по трубопроводу 18 направляют обратно в конденсатор 16, в котором его используют для нагрева рабочей жидкости, поступившей по трубопроводу 17 из испарителя 13, и для нагрева охлажденной воды, поступившей по трубопроводу 30 основного циклического водяного контура с объектов УППН. После нагрева воды в диапазоне 65-95°С в конденсаторе 16 уже горячую воду по трубопроводу 26 основного циклического водяного контура и трубопроводам 31, 32, 33 направляют на теплообменники 23, 24, 25 объектов УППН. После передачи тепла по трубопроводу 27-теплообменнику 23 блока нагрева сырой нефти, поступающей с промысла, по трубопроводу 28-теплообменнику 24 блока нагрева товарной нефти и по трубопроводу 29- теплообменнику 25 блока нагрева пресной воды для ООУ охлажденную воду по трубопроводам 31, 32, 33 направляют обратно в основной трубопровод 30 основного циклического контура и подают на прием конденсатора 16 или на прием теплообменника 7 контура нагрева ДТМ. Цикл нагрева носителя тепловой энергии на объекты УППН повторяют.
Для снятия тепловой нагрузки с установки на основе органического цикла Ренкина используются сухие воздушные охладителя (эйркуллеры) 20, охлаждая горячую воду, поступившую по трубопроводу 21 из конденсатора 16. Охлажденную воду по трубопроводу 22 направляют на вход конденсатора 16, увеличивая объем теплоотдачи за счет увеличения расхода поступающей охлажденной жидкости.
Оба источника тепловой энергии (ДТМ, нагреваемое в термомасляном котле, и органическое масло, нагретое с помощью ДТМ), а также основной и дополнительный циклические контуры имеют свою группу насосов и запорной арматуры и могут функционировать независимо друг от друга.
При увеличении потребления тепловой энергии объектах УППН система, реализующая предлагаемый способ, обеспечивает увеличение выработки тепловой энергии по диатермическому маслу в котле 2. При необходимости снижается выработка электрической энергии со стороны установки на основе органического цикла Ренкина 6, с возможным полным отключением работы контура «котел 2-установка на основе органического цикла Ренкина 6», оставляя в работе только контур «котел 2-теплообменник 7».
В случае аварийной ситуации, такой как разрыв трубопровода контура диатермического масла, или на время обслуживания установки на основе органического цикла Ренкина 6, используется бак для сбора диатермического масла. Сбор масла осуществляется посредством открытия необходимых сливных линий контура диатермического масла. Расширительный мембранный бак 12 предназначен для поддержания рабочего давления в контуре диатермического масла.
Основным условием регулирования работы установки является производство тепловой энергии в необходимых объемах, при этом электроэнергия, получаемая с использованием установки на основе органического цикла Ренкина 6, является вторичной.
Возможно несколько условий регулирования процесса получения требуемого количества тепла:
- изменение режимов использования диатермического масла,
- регулирование процесса производства электроэнергии, производимой установкой на основе органического цикла Ренкина 6,
- сброс тепловой энергии через воздушные охладителя (эйркуллеры) 20.
При увеличении потребления тепловой энергии со стороны теплообменников УППН для нагрева сырой нефти, товарной нефти или воды система автоматически обеспечивает увеличение выработки тепловой энергии по диатермическому маслу со стороны котла 2 за счет снижения выработки электроэнергии со стороны установки на основе органического цикла Ренкина 6, либо за счет полного его отключения. При достижении достаточной тепловой мощности установка на основе органического цикла Ренкина 6 возвращается на прежний уровень выработки электроэнергии, потребляемой объектами УППН.
Предлагаемый способ реализован на установке промысловой подготовки нефти «Оса» ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ».