Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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.

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.

Известна факельная энергетическая установка на попутном газе (патент RU №2180720 опубл. 20.03.2002, МПК F23D 14/62, F22B 33/18), реализующая способ утилизации попутного нефтяного газа, включающего подачу воздуха и подачу попутного нефтяного газа в факельную энергетическую установку, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку, включает также газовый коллектор, соединенный с группой установленных вертикально труб, каждая из которых на выходе содержит газовое сопло в виде конфузора, смесительную камеру. Она содержит коллекторы водяной и паровой, цистерну питательной воды, систему подачи воды, привод в виде паровой турбины, электрогенератор.

Недостатком такого технического решения является сложность ее эксплуатации непосредственно на месторождении при получении попутного нефтяного газа в процессе добычи нефти из-за необходимости постоянного присутствия персонала повышенной квалификации, удаленности от источников расходуемых компонентов рабочего тела турбины в виде питательной воды, ее привоз и подготовка перед подачей в коллектор в разное время года, что затрудняет экономичную бесперебойную переработку любого секундного расхода попутного нефтяного газа в качестве топлива и требует постоянного присутствия персонала повышенной квалификации при эксплуатации факельной энергетической установки на месторождении при безопасных низких давлениях попутного нефтяного газа в магистрали подачи.

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 Е21В 43/00, Н01М 8/00), включающий отвод сопутствующего горючего газа, очищение, подачу в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, сжигание в рабочем цикле двигателя внутреннего сгорания с прокаливанием после выхода из камеры сгорания, направления через выхлопные трубы в катализатор для очистки и далее в камеру прокаливания для более тонкой очистки и последующего охлаждения в теплообменнике с холодной проточной водой перед выбросом в атмосферу, а также сжигание топлива производят в виде попутного нефтяного газа с предварительной подготовкой попутного нефтяного газа (фильтрацией, сепарацией, осушкой) и затем производят преобразование выделившейся теплоты в механическую работу.

В известном устройстве для реализации способа отвода сопутствующего горючего газа от нефтяной скважины (патент RU №2376458, опубл. 20.12.2009 г., МПК Е21В 43/00, Н01M 8/00), включающем двигатель внутреннего сгорания, т.е. тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива в виде попутного нефтяного газа и предварительную подготовку попутного нефтяного газа (фильтрацию, сепарацию, осушку) 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.

Недостатком такого технического решения является необходимость проведения дорогостоящей предварительной подготовки попутного нефтяного газа (фильтрации, сепарации, осушки), а из-за конструктивных особенностей геометрических параметров устройства 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.

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 (заявка №2010133703/03 с решением о выдаче патента от 03.10.2011 г., МПК F23G 5/00), заключающийся в подаче воздуха и подаче попутного нефтяного газа в энергетическую машину, их смешение и сжигание в ней с получением на гретого рабочего тела, преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку. Машина содержит корпус, лопаточную машину, кинематически 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 менгьшей мере, одна лопаточная машина.

Недостатком прототипа способа утилизации попутного нефтяного газа и энергетической машины для его осуществления являются низкие показатели работы, а именно низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую из-за низкого значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины, работающей при низких значениях давления рабочего тела.

Решаемой задачей изобретения является достижение более высоких показателей эффективности работы способа утилизации попутного нефтяного газа и энергетической машины для его осуществления.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую путем увеличении значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины, работающей при высоких значениях давления рабочего тела.

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, часть подаваемого воздуха в энергетическую машину сжимают в компрессоре, нагревают в теплообменнике, расположенном во внутреннем объеме энергетической машины в ее высокотемпературной зоне горения попутного нефтяного газа, расширяют в турбине и направляют в зону подачи попутного нефтяного газа, обеспечивая смешение и сжигание попутного нефтяного газа в среде предварительно нагретого воздуха, а работу расширения нагретого воздуха в турбине используют для привода компрессора и дополнительного агрегата полезной нагрузки.

Для повышения эффективности способа, прогрессивного самоускорения химических реакций процесса горении, по меньшей мере, часть подаваемого попутного нефтяного газа нагревают в дополнительном теплообменнике расположенном во внутреннем объеме энергетической машины на выходе из зоны горения, и направляют в энергетическую машину, обеспечивая смешение и сжигание предварительно нагретого попутного нефтяного газа в среде нагретого воздуха.

Технический результат достигается тем, что в энергетическую машину для осуществления способа утилизации попутного нефтяного газа, содержащую корпус в виде вытяжной трубы, сообщенной с атмосферой входом и выходом, лопаточную машину, кинематически соединенную с агрегатом полезной нагрузки, камеру сгорания и элементы подвода атмосферного воздуха, попутного нефтяного газа, введены теплообменник, дополнительные лопаточные машины (компрессор и турбина) и дополнительный агрегат полезной нагрузки, которые кинематически соединены между собой, образуя турбокомпрессор, при этом вход компрессора сообщен с внутренней полостью вытяжной трубы в нижней ее части, а выход его сообщен со входом турбины через полость холодной части теплообменника, которая размещена в высокотемпературной зоне камеры сгорания, причем выход турбины сообщен с внутренней полостью вытяжной трубы в зоне подвода попутного нефтяного газа камеры сгорания.

Для повышения эффективности энергетической машины, для интенсификации химического процесса горения, в систему подачи попутного нефтяного газа введен дополнительный теплообменник, при этом по меньшей мере часть подачи попутного нефтяного газа в камеру сгорания осуществлена через полость холодной части дополнительного теплообменника, которая размещена во внутренней полости вытяжной трубы, в верхней ее части.

Для пояснения технической сущности рассмотрим фигуры.

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 и турбокомпрессора, работающего на одном из компонентов рабочего тела.

На фиг.2 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, снабженной элементами для улучшения воспламенения и устойчивости процесса горения.

На фиг.3 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, где

1 - корпус в виде вытяжной трубы;

2 - элементы попутного нефтяного газа;

3 - канал подвода попутного нефтяного газа;

4 - камера сгорания;

5 - каналы отвода рабочего тела;

6 - лопаточная машина;

7 - агрегат полезной нагрузки (электрогенератор);

8 - дополнительная лопаточная машина (компрессор);

9 - дополнительная лопаточная машина (турбина);

10 - дополнительный агрегат полезной нагрузки (электрогенератор);

11 - теплообменник;

12 - дополнительный теплообменник;

13 - дополнительные элементы подвода попутного нефтяного газа;

14 - агрегаты автоматики.

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 вытяжную трубу 1, сообщенной с атмосферой входом и выходом. В нем размещены элементы 2 подвода попутного нефтяного газа, канал 3 подвода атмосферного воздуха. В корпусе в виде вытяжной трубы 1 размещена камера сгорания 4, выполненная с возможностью сжигания неочищенного попутного нефтяного газа. В корпусе в виде вытяжной трубы 1 размещены каналы 5 отвода рабочего тела. На выходе канала 5 отвода рабочего тела установлена лопаточная машина 6, кинематически соединенная с агрегатом 7 полезной нагрузки, в качестве которой может быть использован электрогенератор. При этом выход корпуса в виде вытяжной трубы 1 каналом 5 сообщен с атмосферой на высоте, определяемой длиной вытяжной трубы. Плотность воздуха атмосферы на входе канала 3 вытяжной трубы больше плотности рабочего тела на выходе канала 5 отвода рабочего тела вытяжной трубы, что обеспечивает течение воздуха в корпус в виде вытяжной трубы 1 при свободном доступе его из атмосферы в энергетическую машину.

Энергетическая машина снабжена дополнительными лопаточными машинами (компрессора 8 и турбины 9), и дополнительным 10 агрегатом полезной нагрузки, кинематически соединены между собой, формируя турбокомпрессор. Агрегаты 7 и дополнительный агрегат 10 полезной нагрузки соединены между собой с возможностью осуществления взаимного энергообмена. Лопаточная машина 8, в качестве которой может быть использован компрессор своим выходом сообщен со входом лопаточной машины 9, в качестве которой может быть использована турбина, через полость холодной части теплообменника 11, которым снабжена энергетическая машина. Холодная часть теплообменника 11 размещена в высокотемпературной зоне камеры сгорания 4.

Энергетическая машина, представленная схемой продольного разреза на фиг.2, снабжена дополнительным теплообменником 12 и дополнительными элементами 13 подвода попутного нефтяного газа, обеспечивающими разделение потока на части с помощью агрегатов автоматики 14. Одна часть попутного нефтяного газа направляется напрямую в камеру сгорания 4, а другая часть попутного нефтяного газа направляется в камеру сгорания 4 через холодную часть теплообменника 12, который размещен во внутренней полости вытяжной трубы 1, в верхней ее части.

На фиг.3 показан схематически продольный разрез устройства в виде энергетической машины для реализации заявленного способа утилизации попутного нефтяного газа, снабженной устройствами для улучшения воспламенения и устойчивости процесса горения.

Работает энергетическая машина следующим образом.

Попутный нефтяной газ через элементы 2 подвода попутного нефтяного газа вместе со свободно поступающим холодным воздухом из атмосферы по каналу 3 вытяжной трубы 1 с минимальными потерями напора подается в камеру сгорания 4 и сжигается, используя часть поступившего холодного воздуха из атмосферы, необходимую для сгорания, выделяя определенное количество теплоты. Другая часть холодного атмосферного воздуха, не участвующего в процессе горения вместе с продуктами сгорания, образуя рабочее тело, вводится в канал 5 отвода рабочего тела корпуса вытяжной трубы 1 энергетической машины, который сообщается с атмосферой выше, по меньшей мере, в десятки метров, по высоте, относительно канала подвода воздуха 3, определяемой длиной вытяжной трубы 1. В результате, из-за повышения температуры продуктов сгорания в поле силы тяжести создается положительная разница 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.

Работа энергетической машины основана на использовании тяги образуемой за счет различия плотности нагретых газов внутри вытяжной трубы и столба холодного атмосферного воздуха такой же высоты вне трубы. Таким образом, в канале корпуса вытяжной трубы 1 создается вытяжной поток продуктов сгорания, который перемещает по каналу корпуса вытяжной трубы 1 определенную массу нагретого газа.

На выходе из корпуса вытяжной трубы 1, в канале отвода рабочего тела 5 расположена лопаточная машина 6, использующая кинетическую энергию вытяжного потока рабочего тела для своего вращения. Крутящий момент от лопаточной машины 6 кинематически передается на агрегат 7 полезной нагрузки, например, в виде электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию.

Дополнительные лопаточная машина (компрессор) 8, лопаточная машина (турбина) 9 и агрегат полезной нагрузки (электрогенератор) 10 кинематически соединены между собой и образуют турбокомпрессор. Компрессора 8 сжимает воздух и направляет его в полость холодной части теплообменника 11. Нагретый в теплообменнике 11 воздух поступает в турбину 9 и далее во внутреннюю полостью корпуса вытяжной трубы 1 в зону подвода попутного нефтяного газа в камеру сгорания 4. Работа расширения предварительно сжатого в компрессоре 8 и нагретого в теплообменнике 11 воздуха в турбине 9 используется для привода компрессора 8 и дополнительного электрогенератора 10. При запуске энергетической машины электрогенератор 7 работает в режиме стартера.

Одну часть попутного нефтяного газа посредством агрегата автоматики 14 направляют в камеру сгорания 4 непосредственно, другую часть попутного нефтяного газа направляют в камеру сгорания 4 через холодную часть дополнительного теплообменника 12, размещенного во внутренней полости вытяжной трубы 1, в верхней ее части. В результате, к части утилизирующегося попутного нефтяного газа подводится тепло, обеспечивающее прогрессивное самоускорение химических реакций процесса горения. Создаются предпосылки для развития цепного механизма горения, в котором не только электронные компоненты, но и лабильные частицы типа H, O, OH, HO₂ в реакциях продолжения и разветвления цепей, которые поддерживают устойчивый режим воспламенения и горения в целом, предотвращая срывы пламени.

По сравнению с известными аналогами предлагаемый способ утилизации попутного нефтяного газа и энергетическая машина для его осуществления обладает рядом преимуществ, заключающихся в повышении эффективности работы способа, а именно в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения значения термического коэффициента полезного действия тепловой машины, работающей при высоких значениях давления рабочего тела, при этом сохраняя экономичной бесперебойную переработку 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. Благодаря разработанной конструктивной особенности энергетической машины, с возможностью получения надежного и высокого ее ресурса работы позволяет использовать в качестве топлива попутный нефтяной газ без дополнительной очистки. Все это делает предложенный способ утилизации попутного нефтяного газа и энергетическую машину для его осуществления высокоэффективным в большом смысле этого слова.

По предварительной оценке предлагаемый способ утилизации попутного нефтяного газа сжиганием попутного нефтяного газа в предлагаемой энергетической машине обеспечит не менее 0.5 кВт·ч. электроэнергии с каждого кубометра попутного нефтяного газа.