Предлагаемая технология тепловой установки (безфорсуночная) для производства тепла и электричества, а также для увеличения нефтеотдачи пластов основана на использовании новой конструкции теплогенераторной установки (ТГН), разработанного авторами.
Техническая новизна конструкции установки На рис. 1 показана установка ТГН. В состав этой установки для производства тепла входят: теплогенератор ТГН, система подачи топлива, система зажигания и система водоснабжения.
Устройство содержит корпус 1 с воздухоподающим патрубком 2 и воздухоотводящим патрубком 3, основную камеру 4 сгорания, установленную в корпусе 1 с образованием зазора и снабженную 2-ступенчатой турбиной 5, а также дополнительную камеру 6 сгорания, выполненную в виде диффузора, установленную в корпусе 1 с образованием зазора и соединенную с основной камерой 44 сгорания, дополнительно снабжена воздухоподающим вентилятором 8.
Устройство работает следующим образом.
В основную камеру сгорания 4 через 2-ступенчатую турбину подается топливо, а через вентилятор 8 воздух. Образовавшаяся смесь поджигается свечой и подается через «сопло Лаваля» 7 в дополнительную камеру сгорания 6, где происходит полное сгорание.
Воздух, поступавший в воздухоподающий патрубок 2 и проходящий в зазоре между корпусом 1 и общими камерами сгорания 4 и 6, нагревается, после чего через патрубок 3 выходит для дальнейшего использования.
1. корпус; 2. воздухоподающий патрубок; 3.воздухоотводящий патрубок; 4. основная камера сгорания; 5. двухступенчатая турбина; 6. дополнительная камера сгорания выполненная в виде диффузора; 7. «сопло Лаваля»; 8. воздухоподающий вентилятор
Рис. 1. Конструкция теплогенераторной установки
Разгон в «сопло Лаваля» 7 горящей топливно-воздушной смеси с последующим торможением в дополнительной камере 6 сгорания позволяет значительно интенсифицировать процесс горения, а дополнительное количество тепла может быть получено с воздухом из патрубка 3.
Существующие ныне промышленные и производственные мощности требуют инновационного подхода к решению проблем по обеспечению достаточного количества электрической энергии и полного обогрева нефтегазовых установок в зимнее время.
Предлагаемая технология применения теплогазогенератора в нефтегазовой промышленности, позволяет обеспечить требуемые условия. Способ осуществляется в следующей последовательности.
В условиях промышленности в качестве топлива для сгорания может служить природный газ (ПГ), сжигаемый в факелах. Природный газ стараются сжигать после разделения добытой углеводородной смеси в сателлитной станции, установках комплексной подготовки газа и перерабатывающих заводах.
Сброс газа от предохранительных клапанов манифольда, газовых сепараторов и установки осушки газа производится в факельную систему высокого или низкого давления.
Проблема полной утилизации природного газа и его сжигание существуют во многих нефтегазовых объектах и предприятиях, работающих на территории Республики Казахстан. Значит, с помощью технологий применения теплогазогенератора можно снизить объем сжигаемого газа в факелах, путем использования его в качестве топлива. Таким образом, подчеркивается актуальность применения ТГН в нефтегазовой промышленности. Далее в качестве окислителя следует использовать отфильтрованный воздух, получаемый в установке по подготовке сжатого газа.
Назначение системы воздухоснабжения заключается в том, чтобы обеспечить подачу воздуха под определенным давлением в камеру сгорания для возможно более полного и устойчивого сгорания топлива, а также для охлаждения камеры сгорания и получения горячего воздуха на выходе из устройства, который может быть использован с целью обогрева установок в зимнее время.
Следующей примечательностью теплогазогенератора является преобразование воды, используемой в качестве охлаждения пространства между корпусом теплогазогенератора и камерой сгорания «сопло Лаваля».
В камере сгорания образуется высокотемпературный газ равный 2000‒2100 К, который в дальнейшем передает тепло во внешние стенки.
В парогенераторе происходит смесеобразование высокотемпературного газа с паром, после чего температура падает до 700‒900 К, чем и объясняется высокий термический КПД теплогазогенератора.
Нагретая вода (пар) в зазоре между корпусом и камерами получает тепло t = 200‒320 ºС и через патрубок выходит для дальнейшего использования в качестве обогревающего агента установок подготовки, стабилизации, переработки и транспортировки нефтегазовых продуктов.
Пар и горячую воду можно использовать в качестве нагнетательного агента в пласт, с целью увеличения добычи вязкой и высоковязкой нефти. Снижение температуры газа с паром создает хорошие условия для работы лопаток турбин.
Высокая скорость продуктов сгорания в установке, полученная применением «сопло Лаваля» в камере сгорания, позволяет получить высокие мощности через турбину, которые можно использовать для привода компрессоров, генераторов и других агрегатов. Таким образом, теплогазогенератор можно применить в роли парогенерирующей установки и для получения сжатого воздуха подогреваемого установкой.
Воду для циркулирования в ТГН следует брать из дренажной системы пластовой воды или любую, какая есть на месте. После сжигания топлива с воздухом в камере сгорания, образуется диоксид углерода, который далее смешивается с водой и обладает высокой скоростью на выходе.
Кинетическую энергию комбинированного газа используют для передачи вращения газовой турбины с целью получения электрической энергии. Электрическая энергия образуется в электрогенераторе и далее может быть использовано в промышленных, бытовых и производственных объектах на нефтегазовых месторождениях. Поток комбинированного газа, сжимаясь в турбине получает самое высокое давление, которое можно использовать для закачки в пласт нефтегазового месторождения.
Закачка производится с целью поддержания пластового давления и увеличения нефтеотдачи пласта. При присоединении к газовой турбине компрессора, можно получить самый дешевый сжатый воздух, который можно использовать для внутрипластового горения с целью извлечения высоковязкой нефти.
Интенсификация нефтеизвлечения была и остается главным вопросом нефтяной промышленности. Темпы и полнота извлечения нефти из коллекторов всецело зависит от способа разработки месторождения. Из многих существующих способов извлечения нефти особое внимание уделяется разработке тепловых методов воздействия на пласт.
Методы повышения нефтеотдачи, особенно тепловые приводит к интенсификации нефти из пласта более эффективно. Таким образом, теплогенератор производит горячий комбинированный газ (паргаз), который может быть использован в качестве теплового метода воздействия на пласт, с целью увеличения нефтеотдачи.
Обоснование оптимального варианта устройства Особенностью многих производств теплоэнергетической промышленности является широкое применение тепломассобменных процессов, которые, как правило, взаимосвязаны и представляют собой единую большую систему. Так, например, производство комбинированных теплоносителей осуществляется в теплогазогенераторах высокого давления путем сжигания углеводородных топлив в реакционных объектах, т.е. камерах сгорания.
Производимый при этом комбинированный теплоноситель воздух‒газ, или пар‒газ имеет высокие энергетические показатели; ‒ температура продуктов сгорания на выходе достигает 500‒600 ºС и выше; ‒ температура нагретого воздуха находится в пределах 300‒380 ºС в зависимости от количества подаваемого воздуха.
В результате аналитического обзора исследовательских работ по горелочным устройствам, учитывая, их преимущества и недостатки автором было разработано устройство с комбинированным источником тепла, именуемый в дальнейшем ТГН (тепловой газовый нагнетатель).
Сущность его работы заключатся в том, что при сжигании жидких и газообразных топлив образуется 2 теплоносителя - отработавшие газы и горячий воздух или пар. При сжигании топлива из камеры горения выходит отработавшие газы, а в так называемое, межрубашечное пространство, т.е. полость между камерой сгорания и наружным кожухом подается воздух или вода.
Сжигание топлива в камере сгорания проходит при высокой температуре до 1500 ºС и тепло через стенки камеры передается воздуху или воде, нагревая его до высокой температуры. Таким образом, из ТГН выходят 2 теплоносителя - горячие отработавшие газы и воздух. Возможен вариант пар‒газ. В процессе разработки были сконструированы 2 варианта горелочных устройств.
Один - с прямоточным смесеобразованием и сгоранием, другой с турбулентным смесеобразованием. При прямоточным смесеобразовании топливо и воздух направляются в камеру сгорания цилиндрической формы вдоль одной оси. При турбулентном смесеобразовании топливо подается в камеру сгорания сферической формы, а воздух поступает противотоком навстречу по тангенциальной направляющей. При сравнении 2х вариантов горелочных устройств можно отметить, что при турбулентном смесеобразовании происходит боле полная подготовка топливоздушной смеси к сгоранию за счет более мелкого распыла и его смещения с воздухом.
Поэтому горелочное устройство с турбулентным смесеобразованием ТГН было выбрано для дальнейшего исследования как наиболее оптимальное.
Конструкция с турбулентным смесеобразованием представляет собой горелочное устройство, состоящее из 2х частей сферической и конической. В свою очередь, сферические и конические части состоят соответственно из внутренних и наружных сфер и конусов. Внутренняя сфера сообщается с внутренним конусом узким проходом. При конструировании горелочных устройств с турбулентным смесеобразованием были выполнены 2 варианта.
В 1м варианте устройства подачи топлива осуществлялось по общей оси сферы и конуса. Во 2м варианте топливо подавалось под углом 45º к общей оси и ближе к отверстию для подачи топлива. За счет этого увеличилось время подготовки смеси к сгоранию. При 2м варианте топливо в воздушной смеси было более полным и устойчивым, а воспламенение более надежным.
Технические чертежи 2х конструктивных исполнении имеются. Как известно, из рабочих процессов других установок (форсуночных) при сжигании топлива в камере сгорания в пристеночном слое цилиндра образуется, так называемая, «мертвая зона», зона гашения пламени.
В этих зонах холодных пламень часть углеводородов не сгорает. Учитывая это изложение, форма камеры сгорания была выбрана сферической. Подвод воздуха тангенциально к сферической поверхности и противотоком навстречу впрыскиваемому дизтопливу или газу обеспечивает турбулизацию заряда топливовоздушной смеси, что приводит к хорошему перемешиванию топлива и воздуха.
В результате такого смесеобразования (турбулентное), сгорание будет более полным и эффективным. После сгорания топливно воздушной смеси отработавшие газы будут выходить из камеры сгорания через сопло в коническую часть горелочного устройства ТГН. Проходя через сопло, горящая смесь получает дополнительное ускорение и догорает в конической части. В конической части отработавшие газы разгоняются до высоких скоростей. В предлагаемой установке для смесеобразования и сгорания топлива с воздухом используется, как горелочное устройство, двухступенчатая турбина, вместо форсуночного агрегата по которому работают современные установки.
Предложенное горелочное устройство, по всем параметрам превосходит все варианты форсуночного смесеобразования. Это показали промышленные испытания. Область применения установки
1. Генерация электричества с помощью газовых турбин, приводимых во вращение с помощью комбинированного газа (пар‒газ).
2. Генерация тепла, с целью обогрева и обеспечения теплом установок, бытовых, транспортных и гражданских объектов. Объектов бурения и буровой установки.
3. Парогенерация тепла, с целью обогрева и обеспечения теплом установок, бытовых, транспортных и гражданских объектов.
4. Решение проблемы сжигания природного газа в факелах, который может быть использован в качестве топлива для теплогазогенератора.
5. Рациональное и логически грамотное использование ресурсов промышленных объектов при внедрении ТГН в производство (подвод топлива и воздуха, решение проблемы дренажной пластовой воды и т.д.).
6. Генерация комбинированного газа, с целью увеличения нефтеотдачи пласта и поддержание его пластового давления.
7. Получения легких углеводородов на устье скважины путем воздействия на вязкую нефть или выпавший конденсат комбинированного газ (пар‒газ).
8. Увеличение нефтеотдачи, путем уменьшения вязкости и увеличения вытесняющей силы вследствие воздействия водонефтяного контакта, растворения диоксида углерода в вязкой нефти, подогрева и теплового воздействия комбинированного газа (пар-газ).
9. Подготовка и подача сжатого воздуха для ВПГ (внутрипластовое давление).
Применение ТГН для получения сжатого воздуха с целью использования его для получения тепла и электрической энергии, а также для внутрипластового горения Предлагаемый турбокомпрессор Для получения сжатого воздуха к теплогенератору присоединяется турбокомпрессор (рис. 2). С его помощью можно получить самый дешевый в мире сжатый воздух для метода внутрипластового горения.
В виде топлива на нашей установке можно использовать - попутный газ (ПНГ), жидкое топливо, даже саму нефть, разбавив водой.
Рис. 2. Схема турбокомпрессора
Принцип работы турбокомпрессора состоит в следующем: образующиеся в камере сгорания продукты горения с высокой температурой (1500‒2000 ºС) и очень высокой скоростью обеспечиваемой формой камеры сгорания, приводят к вращению турбины, соответственно турбина приводит к вращению компрессор. Также возможен вариант получения электрической энергии, в том случае от турбокомпрессора отсоединяется компрессор и присоединяется электрогенератор, к которому через понижающий редуктор передается механическая энергия вала турбины.
Возможен вариант когенерации, то есть получения тепла и электрической энергии одновременно. В этом случае тепловая энергия выходящих из турбин газов поступает в теплоутилизатор (о котором рассказано ниже). Температура исходящих из турбин газов составляет 450‒550 ºС. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1.5:1 до 2.5:1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя. КПД газовой турбины составляет 25‒35%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива.
В составе когенерационных систем эффективность возрастает до 90% в расчете на условную единицу израсходованного топлива по теплотворной способности.
Утилизатор тепловой энергии
Теплоутилизатор (рис. 3) является основной компонентой любой теплогенерационной системы.
Принцип его работы основан на использовании энергии отходящих горячих продуктов сгорания.
Простейшая схема работы теплоутилизатора состоит в следующем: Отходящие газы проходят через теплообменник, где производится перенос тепловой энергии жидкостному теплоносителю (вода, гликоль). После этого охлажденные отходящие газы выбрасываются в атмосферу, при этом их химический и количественный состав не меняются.
Теплоутилизатор, как правило, проектируется с учетом параметров и характеристик отходящего потока газов для каждой модели турбогенератора или поршневого двигателя и типа применяемого топлива.
Рис. 3. Утилизатор тепловой энергии
Многие производители двигателей имеют собственные наработки или используют продукцию своих партнеров в части утилизации тепла, что упрощает проектирование и выбор решения в большинстве случаев. Здесь приведен подходящий вариант теплоутилизатора на воде для предлагаемой установки.
Отходящие газы охлаждаются до 70 ºС, причем перед теплообменником температура продуктов сгорания достигает 1500‒2000 ºС. Это значит, что основная часть тепла продуктов сгорания передается теплоносителю, в качестве которого в данном теплообменнике используется вода.
Схема применения ТГН Существуют 2 варианта использования энергии продуктов сгорания: получение тепла и электричества одновременно, то есть когенерация. Области применения предлагаемой установки. Тепло и электричество находит самое широкое применение на нефтепромыслах, и других отраслях народного хозяйства. Тепло применяется для обогрева буровой установки и объектов бурения, для обогрева жилых помещений, разогрева углеводородов при транспортировке, и многие другие.
Электричество для автономного электроснабжения, как резервный источник электроэнергии, для снижения пиковой нагрузки на основные источники, как дополнительный источник энергии.
На основании технических характеристик можно сказать, что тепловая установка многоцелевого назначения обладает следующими преимуществами:
- Неприхотливость;
- Компактность;
- Минимум обслуживания;
- Надежность;
- Экологичность;
- Низкая цена;
- Возможность когенерации.
Раскроем вышеизложенные преимущества: Во многих странах существует государственная поддержка применения когенерационных систем, работающих на газе.
Связанно это, в 1ю очередь с экологией: когенерация позволяет сократить на 30‒50% эмиссию СО2 по сравнению в электростанциями, работающими на угле и на 15‒20% по сравнению с раздельной генерацией электроэнергии и тепла.
Для коммерческих предприятий решение о внедрении собственной когенерационной системы основано на экономическом обосновании, которое, как правило, привязывается к нормативам окупаемости, принятым в отрасли потенциального владельца системы, а не к нормам, действующим в энергетике.
Подход накладывает существенные ограничения, компенсации которых возможно путем детального анализа текущего потребления энергии компании и перспектив его роста, потребности в повышении качества и надежности энергоснабжения. Основное правило состоит в оценке времени работы когенерационной системы и степени ее загрузки - чем дольше система работает на максимальной мощности, тем лучше экономика ее применения.
Частичное замещение или полный отказ от коммерческого топлива и переход на условно - бесплатный (биогаз, попутный газ, шахтный метан, отходы химического производства) способствуют улучшению экономических показателей когенерации. В случае, когда производство постоянно потребляет значительное количество пара или горячей воды, замещение части котлов на когенерационную систему позволит повысить эффективность использования топлива - при том же количестве тепла будет производиться еще и электроэнергия, которую можно использовать на замещение сети или для повышения надежности энергоснабжения.
Когенерация в промышленности используется, как правило, в местах с высоким потреблением технологического тепла и электроэнергии в течении всего года. Яркие примеры могут быть найдены в нефтепереработке, производстве бумаги, химическом производстве, тепличных хозяйствах, текстильной промышленности. Тепловая энергия, чаще всего, потребляется в виде пара, поэтому большинство современных индустриальных когенерационных систем построено на базе газовых турбин или с комбинированным циклом. Итак, можно резюмировать, что за счет конструкторских решений, низкой себестоимости и возможности когенерации предлагаемая установка обладает рядом преимуществ над своими аналогами.
Применение ТГН в области нефтедобычи
Описание метода
Данный метод основан на закачке в пласт комбинированного теплоносителя (Н2О+СО2), (пар+СО) с помощью специальной установки, которая позволит закачивать газ в пласт, регулируя температуру с помощью теплообменников (понижать ее до нужного уровня). Тем самым мы не будем подстраивать характеристики месторождений под наш метод, мы сможем сам метод подстроить под тип месторождения, за счет чего, значительно расширится список месторождений, к которым будет применима данная технология. Данный метод характеризуется очень высокой эффективностью и низкими затратами. На сегодня он практически не используется в нашей стране, хотя установка - прототип уже широко применяется на морских месторождениях Северного моря, а именно на газоконденсатном месторождении Sleipner.
Эффект повышения нефтеотдачи при закачке комбинированного газа и пара дает следующие результаты:
- Процесс смешивающего или частично смешивающего вытеснения нефти из пласта;
- Увеличение насыщенности пласта легкими фракциями углеводородов вследствие растворения в вязкой нефти диоксида углерода, т.е. взаимозамещение легких углеводородов в составе вязкой нефти на диоксид углерода, что дает возможность получения широкой фракции легких углеводородов на устье добывающих скважин;
- Увеличение подвижности вязкой нефти вследствие растворения диоксида углерода и других газов в нефти;
- Увеличение вытесняющей силы вследствие воздействия водонефтяного контакта;
- Уменьшение вязкости нефти вследствие подогрева паром вязких углеводородов.
Эффективность по сравнению с другими технологиями. Данный метод характеризуется очень высокой эффективностью, относительно быстрой окупаемостью и низкими затратами. Кроме того, данный метод можно использовать на широком спектре нефтегазовых месторождений. В то время как большинство подобных методов характеризуется своей узкой направленностью на определенные типы месторождений и высокими затратами.
Перспективы применения
Разработка морских нефтегазовых месторождений Северного Каспия потребует большого количества автономных источников электричества и тепла, как на наземных сооружениях, так и на искусственных островах. Также данная установка может генерировать комбинированный пар и углекислый газ, закачка которого в пласт позволяет значительно увеличить коэффициент нефтеизвлечения из пласта.
Применение данной установки на производстве позволит повысить эффективность эксплуатации нефтегазового месторождения, путем полного использования доказанных ресурсов, утилизации попутного газа, и одновременно с этим позволит обеспечить электричеством и теплом нефтегазовые объекты при низкой себестоимости.
Также данная установка может применятся не только в нефтяной промышленности, но и в обеспечении теплом и электричеством бытовых помещений, гражданских объектов и т.д., и составить серьезную конкуренцию существующим аналогам благодаря своим техническим характеристикам. Немаловажным фактом является также возможность производства и комплектации данной установки отечественными машиностроительными компаниями, что благоприятно отразится как на цене установки, так и на развитии отечественного машиностроения.
Заключение
В этой научной работе представлено одно из многоцелевых оборудований ТГН (теплогазонагреватель), применение которого имеет большую экономическую выгоду в эксплуатации. Предлагаемое оборудование очень простое в применении, прост в конструкции и не требует больших затрат при изготовлении в денежном и материальном плане. Разработка таких установок всегда остается актуальным вопросом, так как с этими трудностями сталкиваются почти все сервисные компании.
Данный проект может удовлетворить потребности в новых технологиях различного назначения получения электрической энергии и др., по отношению с устаревшими, и можно использовать для:
- Снижения сжигания природного газа;
- Генерации комбинированного теплоносителя (пар+газ);
- Обогрева и обеспечения теплом установок, бытовых, транспортных, гражданских объектов и других объектов народного хозяйства;
- Обогрева буровой установки и объектов бурения;
- Парогенерации, с целью теплового воздействия на нефтяной пласт;
- Генерации электричества с помощью газовых турбин.
Список литературы
1. Идрисов Н.И. Исследование рабочего процесса и теплонапряженности деталей двигателей при работе на неустановившихся режимах. ЛПИ, канд. дисс. Л., 1974.
2. Пажи Д.Г., Галустов В.С., Основы техники распыливания жидкостей. М.: Химия, 1986. 256 с.
3. Шайхутдинов З.Г. и др. Исследование гидромеханических характеристик распыливающих устройств. В сб.: Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Вып.
4. Уфа, 1980. С. 80. 4. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. Машиностроение, 1972.
5. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдмин Л.Е. Техническая термодинамика. Энергия, 1986.
6. Зысин В.А. Комбинированные парогазовые установки и циклы. Госгэнергоиздат 1982.
7. В.В. Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача. Высшая школа, 1972.
8. Шайхутдинов З.Г. и др. Исследование гидроинамических характерестик распыливающих устройств. В сб.: Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Вып. 4. Уфа, 1980. С. 72-78.
9. Шайхутдинов З.Г. др. Предварительные исследования гидродинамических характеристик пневматической форсунки для распыливания тяжелых углеводородных топлив. В сб.: Механика двухфазных сред. Харьков, 1978. №1. 131
10. Тепло и массобмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.:Энергоиздат, 1978. 256 с.
Автор: О. Нариман
