Способ работы теплоэнергетической установки для утилизации попутного нефтяного газа и теплоэнергетическая установка для его осуществления
Владельцы патента RU 2509956:
Демидов Герман Викторович (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)
Хаиров Леонард Шамсиевич (RU)
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии при утилизации топлива путем сжигания его в факелах. Изобретение позволит повысить термический коэффициент полезного действия с одновременным уменьшением вредных выбросов. Способ включает сжигание попутного нефтяного газа в камерной печи, получение нагретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в работу агрегата полезной нагрузки, в качестве рабочего тела используют воздух, сжатый в лопаточной машине и нагретый в воздухонагревателе, рабочее тело подают в турбину турбинного привода и далее в камерную печь. Расширение рабочего тела в турбине используют для привода лопаточной машины и агрегата полезной нагрузки. Теплоэнергетическая установка содержит элементы подвода воздуха и попутного нефтяного газа, камерную печь, лопаточную машину, электрогенератор и вытяжную трубу. Она снабжена воздухонагревателем и турбиной турбинного привода. Перед камерной печью вдоль воздушного тракта установлены турбина турбинного привода, воздухонагреватель, лопаточная машина, элементы подвода воздуха. После камерной печи, вдоль газового тракта установлены воздухонагреватель и вытяжная труба. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии, при утилизации топлива путем сжигания его в факелах.
Многообразие потребителей энергии и требований к виду и качеству энергообеспечения, заставляет по новому взглянуть на роль энергетических установок малой мощности (от десятков киловатт до нескольких мегаватт) в общей структуре энергетики.
Этот класс установок должен быть ориентирован на широкую гамму топлив: жидкое, газообразное, отходы лесной и сельскохозяйственной промышленности, биогаз, продукты переработки бытовых отходов, продукты подземной или промышленной газификации твердых топлив, отходов нефтедобычи и нефтепереработки.
Принципиально в теплоэнергетических установках могут быть применены различные типы агрегатов: двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины или их комбинации.
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 (H2S), 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 E21B 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 необходимость проведения предварительной подготовки сопутствующего горючего газа фильтрации, сепарации, осушки. Это усложняет конструкцию установки, что требует квалифицированного обслуживания газо-поршневой электростанции.
Наиболее близким, по технической сути к заявляемому техническому решению 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. 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 утилизации попутного нефтяного газа, из-за низкого значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины, работающей при низких значениях давления рабочего тела.
Решаемой задачей изобретения является повышение эффективности способа работы и теплоэнергетической установки для утилизации попутного нефтяного газа путем увеличения термического коэффициента полезного действиях одновременным уменьшением вредных выбросов.
Технический результат, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, заключается в увеличении термического коэффициента полезного действия способа и установки за счет эффективного преобразования полученной теплоты от неочищенного попутного нефтяного газа в процесса факельного горения в атмосферном воздухе, с одновременным уменьшением вредных выбросов при бессажевом сгорании неочищенного попутного нефтяного газа при низком давлении в нагретой воздушной среде.
Технический результат достигается тем, что в способе работы теплоэнергетической установки для утилизации попутного нефтяного газа, включающем смешение и сжигание попутного нефтяного газа с получением продуктов сгорания и вытяжки их в атмосферу, получение нагретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в работу агрегата полезной нагрузки, в качестве рабочего тела вводят воздух, сжатый в лопаточной машине и нагретый в воздухонагревателе до высокой температуры, обеспечивающей предельно-допустимые значения неразрушающие материал воздухонагревателя при длительном воздействии, включая в нагрев, по меньшей мере, воздействие от лучистого теплообмена, определяемой потребным коэффициентом избытка воздуха для бессажевого сжигания попутного неочищенного нефтяного газа и направляют, для преобразования тепловой энергии сжатого и термически нагретого воздуха в механическую, с последующим его смешением с попутным неочищенным нефтяным газом и сжиганием в среде рабочего тела после процесса расширения, причем продукты сгорания после нагрева воздухонагревателя удаляют в атмосферу напором, создаваемым лопаточной машиной и тягой в газовом тракте, при этом работу расширения рабочего тела в воздушном тракте используют для привода лопаточной машины и агрегата полезной нагрузки.
Технический результат достигается тем, что в теплоэнергетической установке для утилизации попутного нефтяного газа, содержащей элементы подвода воздуха и попутного нефтяного газа, камеру сгорания, лопаточную машину, электрогенератор и вытяжную трубу, введен воздухонагреватель из жаропрочного материала и турбинный привод, связанный с турбиной, соединенной с лопаточной машиной и электрогенератором, причем камера сгорания выполнена в виде камерной печи, состоящей из секций с размещенными в них горелочными устройствами факельной топки, с возможностью сохранения лучистого теплообмена в факельном процессе, воздухонагревателя и вытяжной трубы, при этом перед камерной печью, вдоль воздушного тракта, установлены турбина, воздухонагреватель, лопаточная машина, элементы подвода воздуха, а после камерной печи, вдоль газового тракта, установлены воздухонагреватель и вытяжная труба, которая закреплена на выходе камерной печи.
Для повышения эффективности, теплоэнергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа снабжена контейнером для сбора конденсированных частиц компонентов продуктов сгорания, например, серы и других соединений.
В результате химических превращений образование неоднородной термодинамической гетерогенной системы продуктов сгорания, использование которой для последующего непосредственного превращения этой теплоты в механическую энергию высокоскоростного турбинного привода нецелесообразно из-за наличия двух фаз в составе продуктов сгорания, находящихся в проточной части высокоскоростного турбинного привода, и, как следствие, уменьшения ресурса работы его, а, следовательно, в целом теплоэнергетической установки.
Наиболее целесообразным является повышение эффективности путем организации процесса факельного горения и передачи теплоты металлической поверхности устройству (воздухонагревателю) и в нем гомогенному двухатомному составу другого рабочего тела, которому не требуется очистка, и, в качестве которого выбран воздух в сжатом состоянии. Работу адиабатического расширения сжатого в лопаточной машине и нагретого до высокой температуры в воздухонагревателе рабочего тела (воздуха) превращают в механическую энергию турбинного привода для сжатия воздуха в лопастной машине и преобразовании в электрическую энергию в электрогенераторе, в качестве агрегата полезной нагрузки. Оставшуюся теплоту в воздушном потоке после расширения в турбинном приводе возвращают в факельный процесс горения, повышая теплосодержание топливной пары, и производят отвод конденсированной или твердой фазы из зоны горения, используя гравитационную составляющую в поле силы тяжести для последующей утилизации, например, серы и ее соединений, используя для завершения неравновестных рекомбинационных процессов цепного механизма химических превращений вытяжную трубу.
Новизной технического решения является:
- рабочим телом является сжатый и нагретый до высоких температур воздух (в воздухонагревателе до высокой температуры, включая в нагрев, по меньшей мере, воздействие от лучистого теплообмена, не нарушая жаропрочности и не превышая предела ползучести материала воздухонагревателя при длительном воздействии, ненакапливая усталостного, термического напряжения), не требующий очистки, способствующий увеличению ресурса энергетической установки;
- реализуется бессажевое горение попутно неочищенного нефтяного газа в среде нагретого воздух F, обеспечивая увеличение энтальпии топливной пары;
- неравновесная термодинамическая система, выполненная с возможностью получения гетерогенных продуктов сгорания не оказывает влияния уменьшающего ресурс установки в целом, т.к. в газовом тракте размещены только воздухонагреватель, воспринимающий полученную, теплоту и вытяжная труба, как устройство отвода этих продуктов сгорания;
- организация смешения и сжигания нагретого воздуха и неочищенного попутного газа происходит при низком давлении, обеспечивая безопасность эксплуатации установки.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипами признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: « изобретательский уровень».
В качестве источника тепловой энергии можно использовать другие виды топлив: жидкое, газообразное, отходы лесной и сельскохозяйственной промышленности, биогаз, продукты переработки бытовых отходов, продукты подземной или промышленной газификации твердых топлив, отходов нефтедобычи и нефтепереработки.
Эта инновационная особенность позволяет применять энергетическую установку для автономного энергоснабжения жилых домов, торговых центров, офисных сооружений, бассейнов, больниц, предприятий общественного питания.
Для пояснения сущности рассмотрим чертежи.
На фиг.1 показана схематически энергетическая установка где:
1 - турбинный привод, включающий турбину
2 - электрогенератор;
3 - камерная печь, с установленным в ней, горелочными устройствами факельной топки;
4 - элементы подвода воздуха;
5 - элементы подвода попутного нефтяного газа;
6 - воздухонагреватель;
7 - лопаточная машина;
8 - вытяжная труба;
9 - сменный контейнер для конденсированных компонентов продуктов сгорания.
Теплоэнергетическая установка, представленная схемой на фиг.1, содержит турбинный привод 1, включающий турбину, электрогенератор 2, камерную печь, с установленным в ней, горелочными устройствами факельной топки 3, элементы подвода воздуха 4, элементы подвода попутного нефтяного газа 5, воздухонагреватель 6, лопаточную машину 7, вытяжную трубу 8, сменный контейнер для конденсированных компонентов продуктов сгорания 9.
Турбина в турбинном приводе 1, лопаточная машина 7 и электрогенератор 2 соединены между собой, образуя ротор турбинного привода. Элементы подвода попутного нефтяного газа 5 соединены с горелочными устройствами факельной топки камерной печи 3, в которой происходит процесс горения. Перед камерной печью 3 вдоль воздушного тракта установлены турбина турбинного привода 1, воздухонагреватель 6, лопаточная машина 7, элементы подвода воздуха 4, а после камерной печи 3 вдоль газового тракта установлены воздухонагреватель 6 и вытяжная труба 8. Камерная печь 3 может быть снабжена сменным контейнером 9 для конденсированных компонентов продуктов сгорания типа серы и ее соединений, а также других компонентов требующих утилизацию.
Работает теплоэнергетическая установка следующим образом:
Неочищенный попутный нефтяной газ через элементы подвода попутного нефтяного газа 5 подают в горелочные устройства факельной топки камерной печи 3. Воздух через элементы подвода воздуха 4 подают в лопаточную машину 7. Воздух в лопаточной машиной 7 сжимают и направляют в воздухонагреватель 6. Воздухонагреватель 6 размещают в камерной печи 3 и нагревают стенки его до высокой температуры, например, до 700-800°C, исходя из условия, использования, например, в качестве материала 1Х18Н10Т и производят нагрев, исходя из условия жаропрочности, предела ползучести и ввиду длительной эксплуатации установки, не допуская усталостных термических напряжений. Нагретый сжатый воздух из воздухонагревателя 6 преобразуют в рабочее тело и направляют в турбину 1 на валу которой, закреплены лопаточная машина 7 и энергогенератор 2, который выдает полезную нагрузку, в виде электрической энергии, преобразуясь из механической энергии вращения. После расширения рабочее тело направляют в камерную печь 3 и производят смешение с неочищенным попутным нефтяным газом, затем производят воспламенение. Начинается процесс горения. В камерной печи 3 процесс химических преобразований при наличии сернистых соединений, под действием высокой температуры распадается, создавая гетерогенную неравновесную систему, Размещение в камерной печи 3 непосредственно воздухонагревателя 6, стенки которого воспринимают также лучистую теплоту от энергии, величина которой может достигать 25% от общей величины тепловой энергии. Величина лучистой энергии оценивалась, исходя из директивных документов: «Методика расчета выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках г. С.Петербург, Госкоэкология Россия от 08.04.09, №199 (см. формулу 8.5).
Под действием напора воздушного потока и тяги вытяжной трубы 8 продукты сгорания в газовом тракте удаляют в атмосферу. Нагретое до высокой температуры рабочее тело обеспечивает повышение термического коэффициента полезного действия, известно что, чем выше температура, тем выше термический коэффициент полезного действия. При этом возникает повышение эффективности отдачи тепла в камерной печи воздуху в воздухонагревателе при таких уровнях температур.. Причем процесс горения эквивалентен внешнему горению по отношению к рабочему телу. За счет этого повышается эффективность способа работы и теплоэнергетической установки, т.к. гомогенное высокотемпературное рабочее тело позволяет увеличить ресурс турбинного привода.
При запуске теплоэнергетической установки электрогенератор 2 работает в режиме стартера.
В теплоэнергетической установке в качестве турбины и лопаточной машины может быть применен турбокомпрессор наддува двигателя внутреннего сгорания.
По сравнению с известными аналогами - прототипом предлагаемая теплоэнергетическая установка обладает преимуществом, заключающимся в более высокой эффективности утилизации попутного нефтяного газа за счет повышения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую энергию путем увеличении значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины с одновременным уменьшением вредных выбросов, работающей при высоких значениях давления рабочего тела., что позволяет получить при расходе 1 м3 неочищенного попутного нефтяного газа 0,5-0,6 квт эл. энергии, а уменьшение вредных выбросов примерно на 30%.
Благодаря разработанной конструктивной особенности теплоэнергетической установки, позволяет повысить эффективность также обеспечивается возможность получения надежного и высокого ее ресурса работы за счет использования в качестве рабочего тела турбины нагретого воздуха, а не продуктов сгорания попутного нефтяного газа..
1. Способ работы теплоэнергетической установки для утилизации попутного нефтяного газа, включающий смешение и сжигание попутного нефтяного газа с получением продуктов сгорания и вытяжки их в атмосферу, получение нагретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в работу агрегата полезной нагрузки, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела вводят воздух, сжатый в лопаточной машине и нагретый в воздухонагревателе до высокой температуры, обеспечивающей предельно допустимые значения, не разрушающие материал воздухонагревателя при длительном воздействии, включая в нагрев, по меньшей мере, воздействие от лучистого теплообмена, определяемой потребным коэффициентом избытка воздуха для бессажевого сжигания попутного неочищенного нефтяного газа, и направляют для преобразования тепловой энергии сжатого и термически нагретого воздуха в механическую с последующим его смешением с попутным неочищенным нефтяным газом и сжиганием в среде рабочего тела после процесса расширения, причем продукты сгорания после нагрева воздухонагревателя удаляют в атмосферу напором, создаваемым лопаточной машиной и тягой в газовом тракте, при этом работу расширения рабочего тела в воздушном тракте используют для привода лопаточной машины и агрегата полезной нагрузки.
2. Теплоэнергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа, содержащая элементы подвода воздуха и попутного нефтяного газа, камеру сгорания, лопаточную машину, электрогенератор и вытяжную трубу, отличающаяся тем, что введены воздухонагреватель из жаропрочного материала и турбинный привод, связанный с турбиной, соединенной с лопаточной машиной и электрогенератором, причем камера сгорания выполнена в виде камерной печи с возможностью размещения в ней корпуса с горелочными устройствами факельной топки с возможностью сохранения лучистого теплообмена в факельном процессе, при этом перед камерной печью, вдоль воздушного тракта установлены турбина, воздухонагреватель, лопаточная машина, элементы подвода воздуха, а после камерной печи, вдоль газового тракта установлены воздухонагреватель и вытяжная труба, которая соединена с выходом камерной печи.
3. Теплоэнергетическая установка для утилизации попутного нефтяного газа по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена контейнером для сбора конденсированных частиц компонентов продуктов сгорания, например серы и других соединений.
