ПЕРЕДВИЖНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C7/20 

Предлагаемое изобретение относится к энергетическим установкам, реализующим энерго- и ресурсосберегающие, экологически чистые технологии, и может быть использовано там, где затруднена доставка и хранение дорогих специальных топлив (например, легких сортов жидких топлив), но имеется нефтепровод, возможность добычи или доставки сырой нефти.

Известны передвижные электростанции, содержащие электрогенератор тепловой, преимущественно газотурбинный двигатель и устройство для предварительной обработки топлива. Однако эксплуатация их обходится дорого, ввиду высокой стоимости топлива. Известна, например, передвижная электростанция (см. SU 466343 А, МПК 6 F 02 С 3/28, 1975), содержащая электрогенератор тепловой, преимущественно газотурбинный двигатель, причем устройство для обработки топлива выполнено в виде нефтеперегонной установки. Недостатком указанной электростанции является низкая экономичность ее эксплуатации, так как за последние десятилетия стоимость сырой нефти возросла более чем в 30 раз.

С другой стороны, известен газотурбинный двигатель, устройство для обработки топлива которого выполнено в виде технологического нагревателя сырой нефти, на выходе которого установлен сепаратор для отделения газа, в том числе и попутного газа, используемого в качестве топлива двигателя (см. ЕР 002936 А2, МПК 6 F 02 С 3/20, 1979). Недостатком указанного устройства для обработки топлива является то, что он выполнен из двух отдельных агрегатов: собственно нагревателя нефти и сепаратора для отделения газа, что усложняет конструкцию устройства и снижает надежность его эксплуатации. Кроме того, отделенный в сепараторе попутный газ использован только в качестве топлива двигателя, что снижает экономичность устройства в целом. Немаловажно и то обстоятельство, что в упомянутых устройствах, не указано, какими средствами осуществляется запуск и вывод на станционарный режим работы электростанции. Неясно также, каким образом осуществляется регулирование режима работы электростанции, например при необходимости уменьшения ее выходной мощности. Можно предположить два возможных варианта: первый - "загонять" избыток топливного газа двигателя обратно в выходную магистраль дегазированной нефти, что нецелесообразно, второй - сброс указанного избытка газа "на свечу" с последующим его сжиганием в атмосфере. И то и другое снижает экономичность устройства, или ухудшает экологическую обстановку окружающей среды, соответственно.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы технологического нагревателя нефти и приводного двигателя, повышение экономичности эксплуатации и улучшение экологических показателей окружающей среды.

Эта цель достигается тем, что в технологическом нагревателе нефти электростанции в качестве основного топлива использована часть попутного газа, отделенного в сепараторе нагревателя, а в качестве пускового топлива, например - паровая фаза сжиженного газа с числом Воббе, одинаковым с основным топливом, что позволило при выходе на стационарный режим нагревателя осуществить автоматическое и плавное переключение его горелочного устройства на основное топливо, например - посредством обратного клапана, установленного на линии подачи пускового топлива. Нагреватель нефти и сепаратор выполнены в одном агрегате в виде вертикально установленного кожухотрубного теплообменника, экранированного, по крайней мере, двумя поясами штыковых труб, кольцевые зазоры которых с нижнего конца сообщены съемными патрубками с коллектором входа нагреваемой сырой нефти, а с верхнего конца посредством тангенциального завихрителя сообщены с входом во внутренние трубы, подключенные с нижнего конца съемными патрубками к коллектору отвода нагретой дегазированной нефти, а с верхнего конца съемными патрубками - с коллектором отвода попутного газа. Причем в кольцевом зазоре штыковых труб установлен завихритель, выполненный в виде проволоки, спирально навитой по всей длине внутренних труб до входа нагреваемого потока в упомянутый тангенциальный завихритель.

Кроме того, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлено плохообтекаемое тело - экран в виде конуса, соосного с кожухом и дымовой трубой и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства так, что протяженность топочного объема по оси теплообменника, ограниченного с одного конца амбразурой горелочного устройства, с другого - экраном, не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства. При этом наружный диаметр экрана должен быть не менее 3/4 внутреннего диаметра дымовой трубы, а расстояние от среза экрана до устья дымовой трубы - не менее 2,5 величины наружного диаметра экрана.

При таком исполнении нагревателя гарантирована окружная равномерность температурного поля в пределах всей длины трубного пучка теплообменника, что важно для надежного функционирования нагревателя при достаточно высокой эффективности отделения газовой фазы в его сепарационной части.

Кроме того, коллектор отвода газа от нагревателя подключен через опускной трубопровод к конденсатору, охлаждаемому сырой нефтью таким образом, что выход очищенного газа из конденсатора, с одной стороны, подключен через регулятор температуры нагретой дегазированной нефти к входу в горелочное устройство, с другой стороны - к входу в топливный регулятор двигателя. При этом на выходе из конденсатора охлаждающей сырой нефти перед входом ее в нагреватель установлен нефтяной насос с регулируемой производительностью, на трубе всасывания которого установлена труба Вентури с горлом, сообщенным с выходом конденсатоотводчика, подключенного своим входом к нижней части конденсатора, при этом труба подачи пускового топлива подключена через обратный клапан к регулятору температуры нагретой дегазированной нефти. Прокачка газовой фазы (попутного нефтяного газа) через конденсатор исключает сжигание легкокипящих (и дорогостоящих) фракций (бензин, легкий газойль, ...), которые, пусть и в малом количестве, могут содержаться в газе на выходе из нагревателя, что кроме дополнительной экономии исключает их возможную конденсацию при транспортировке газа к нагревателю и двигателю, что может привести к неустойчивости в работе горелочного устройства нагревателя и камеры сгорания двигателя. Использование нефтяного насоса с регулируемой производительностью решает задачу регулирования работы электростанции в условиях изменения внешнего энергопотребления (нагрузки).

Таким образом, достигается главная цель предлагаемого изобретения: повышение надежности работы технологического нагревателя нефти и приводного двигателя, повышение экономичности эксплуатации электростанции и улучшение экологических показателей окружающей среды.

На чертеже схематически показана предлагаемая электростанция с узлами, достаточными для понимания ее существенных отличий от известных.

Электростанция состоит из генератора 1 электрической энергии, жестко соединенного с приводным газотурбинным двигателем 2 и устройства для предварительной обработки топлива. В предложенной схеме электростанции нагреватель нефти и сепаратор выполнены в одном агрегате в виде вертикально установленного кожухотрубного теплообменника 3, экранированного, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб 4, кольцевые зазоры 5 которых с нижнего конца сообщены съемными патрубками 6 с коллектором входа 7 нагреваемой сырой нефти, а с верхнего конца посредством тангенциальных завихрителей 8 сообщены с входом во внутренние трубы 9. Указанные трубы 9 в нижнем конце пристыкованы съемными патрубками 10 к коллектору отвода 11 нагретой дегазированной нефти, а с верхнего конца съемными патрубками 12 трубы 9 присоединены к колектору 13 отвода попутного газа. Причем в кольцевом зазоре 5 труб 4 установлен завихритель 14, выполненный в виде проволоки, спирально навитой по всей длине труб 9 по крайней мере до завихрителя 8.

Кроме того, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами 4, установлено плохообтекаемое тело-экран 15 в виде конуса, соосного с наружным кожухом теплообменника 3 и дымовой трубой 16. Конус своей вершиной обращен в сторону горелочного устройства 17 так, что протяженность топочного объема по оси теплообменника 3, ограниченного с одного конца амбразурой горелочного устройства 17, с другого - экраном 15, должен быть не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства 17, при этом наружный диаметр экрана 15 должен быть не менее 3/4 от внутреннего диаметра дымовой трубы 16, а расстояние от среза экрана 15 до устья 18 трубы 16 - не менее 2,5 величины наружного диаметра экрана 15.

Коллектор 13 отвода газа присоединен посредством опускного трубопровода 19 через обратный клапан 20 к конденсатору 21, охлаждаемому сырой нефтью таким образом, что выход очищенного газа из конденсатора 21, с одной стороны, подключен к регулятору 22 температуры нагретой дегазированной нефти на вход в горелочное устройство 17, с другой стороны - к входу в топливный регулятор 23 двигателя 2. При этом на выходе из конденсатора 21 охлаждающей сырой нефти перед входом ее в нагреватель 3 установлен нефтяной насос 24 с регулируемой производительностью, на трубе всасывания которого установлена труба Вентури 25 с горлом, сообщенным с выходом конденсатоотводчика 26, подключенного своим входом к нижней части конденсатора 21, причем труба 27 подачи пускового топлива подключена через обратный клапан 28 к регулятору 22 нагретой дегазированной нефти, а перед регулятором 23 двигателя установлен пускоотсечной клапан 29 с обратным клапаном 30.

Электростанция работает следующим образом.

Нефть (или нефтеэмульсия) с растворенным в ней попутным газом из нефтепровода поступает на электростанцию вначале в качестве охлаждающей среды - в конденсатор 21, затем - в трубу Вентури 25, где уже в качестве активной среды подсасывает конденсат, поступающий в горло трубы Вентури из конденсатоотводчика 26. Труба Вентури 25 введена в систему топливопитания для того, чтобы в случае внезапного сбоя в работе насоса 24 не была нарушена работа горелочного устройства 17 и камеры сгорания двигателя 2 (из-за возможного попадания конденсата в топливный газ).

Затем сырая нефть (в смеси с конденсатом) поступает на вход в насос 24. После насоса сырая нефть под напором, достаточным для нормального функционирования системы подготовки и подачи топливного газа в нагреватель 3 и двигатель 2, поступает во входной коллектор 7, откуда по патрубкам 6 раздается по трубам 4, а конкретно - в их кольцевые зазоры 5, в которых под воздействием спирального проволочного оребрения 14 приобретает вращательно-направленное вверх движение.

По мере прогрева (и снижения давления) содержащийся в растворенном виде в нефти попутный газ выделяется, вспенивая и разгоняя ее. При этом в кольцевом зазоре 5 труб 4 устанавливается 2-фазная структура потока: внешний слой закрученного потока- жидкий и омывает горячие стенки труб 4, внутренний слой - газовый, что благоприятно для интенсификации процесса теплопередачи, не допуская при этом перегрева потока (например, существенно выше 50^oС). При достижении потока тангенциальных завихрителей 8, образованных, например, тангенциальными прорезями в стенке внутренних труб 9, поток приобретает дополнительную, более интенсивную крутку с тангенциальной скоростью, достаточной для подавления пенообразования в зоне сепарации 2-фазного потока. При этом жидкая фаза - дегазированная нефть (или нефтеэмульсия), продолжая вращаться относительно внутренней стенки труб 9, опускается в нижнюю часть нагревателя, где собирается в коллекторе отвода 11 и далее сбрасывается в нефтепровод или направляется в отстойники пункта сбора и подготовки нефти (на схеме не показано) для отделения пластовой воды до приемлемого (товарного) уровня.

Газовая фаза из приосевой сепарационной зоны каждой трубы 4 нагревателя восходящим потоком (по аналогии с 2-х продуктовым циклоном) поступает по патрубкам 12 в верхний коллектор 13. В общем случае, за счет реального несовершенства процесса разделения и частичного (пусть и в малом количестве) крекинга легкокипящих фракций (например, бензин, легкий газойль, ...) отделенный газ может содержать мельчайшие частицы жидкости и пары указанных фракций, что нежелательно. Поэтому указанная смесь через опускной трубопровод 19 и обратный клапан 20 поступает в конденсатор 21, где, охлаждаясь (и конденсируясь), освобождается от нежелательных компонентов и превращается в основное топливо передвижной электрической станции, которое далее поступает, с одной стороны, через клапан 29 в топливный регулятор 23 приводного двигателя 2, с другой, - преодолевая обратный клапан 30, - к регулятору 22, поддерживающим температуру дегазированной нефти в выходном коллекторе, например, до величины не более 50^oС.

Запуск и выход на стационарный режим работы электростанции осуществляется следующим образом. Вначале (во всяком случае, в зимний период времени) производится подача пускового газа, например из баллонной батареи с сжиженным пропаном (на схеме не показана). Преодолевая обратный клапан 28, пусковой газ через регулятор 22 поступает в горелочное устройство 17. После появления пламени на выходе из амбразуры горелочного устройства, что фиксируется, например, фотодатчиками и по сигналу от системы автоматического управления (АСУ) электростанции (на схеме не показано) запускается нефтяной насос 24 и выводится на режим до уровня производительности, соответствующего величине внешнего энергопотребления в данный момент времени (сигнал от АСУ). К этому моменту регулятор 22, "отслеживая" температуру нефти в выходном коллекторе 11, выводит горелочное устройство 17 на режим максимальной теплопроизводительности. При этом по мере прогрева нефти возрастает давление газа, отделенного в сепарационной части нагревателя, происходит последовательное открытие обратных клапанов 20, 30 и после превышения величины давления пускового газа перед регулятором 22 - закрытие обратного клапана 28 и прекращение подачи пускового газа.

Далее по соответствующему сигналу от АСУ открывается клапан 29 и посредством топливного регулятора 23 осуществляется программный запуск и выход на режим приводного двигателя 2 и электрогенератора 1. При необходимости уменьшения нагрузки на электростанцию выдается сигнал (от АСУ) на уменьшение производительности нефтяного насоса 24, что приведет к увеличению температуры нефти в выходном коллекторе 11, на что среагирует регулятор 22 и, воздействуя на горелочное устройство 17, восстановит выходную температуру нагреваемой нефти до необходимого уровня, и наоборот.

Таким образом, при выполнении вышеприведенной совокупности признаков устройства достигается главная цель предлагаемого изобретения: повышение надежности работы технологического нагревателя нефти и приводного двигателя, повышение экономичности эксплуатации электростанции и улучшение экологических показателей окружающей среды.

Передвижная электростанция относится к энергетическим установкам, реализующим энерго- и ресурсосберегающие, экологически чистые технологии и может быть использована там, где затруднена доставка и хранение дорогих специальных топлив, но имеется нефтепровод, возможность добычи или доставки сырой нефти. Установка предложенной электростанции на пунктах сбора и подготовки сырой нефти, где десятилетиями горят факелы, позволит навсегда погасить их. Электростанция содержит электрогенератор тепловой, преимущественно газотурбинный двигатель и устройство для предварительной обработки топлива, выполненный в виде технологического нагревателя сырой нефти, на выходе которого установлен сепаратор для отделения газа, в том числе и попутного газа, используемого в качестве топлива двигателя электростанции. Новым в электростанции является, то, что в нагревателе нефти источником греющей среды является горелочное устройство, в котором в качестве основного топлива использована часть упомянутого газа, отделенного в сепараторе нагревателя, а в качестве пускового топлива, например, паровая фаза сжиженного газа, взаимозаменяемая с основным топливом. Нагреватель нефти и сепаратор выполнены в одном агрегате в виде вертикально установленного кожухотрубного теплообменника, экранированного штыковыми легкосъемными трубами. Коллектор отвода топливного газа от нагревателя подключен к конденсатору, охлаждаемому сырой нефтью таким образом, что выход очищенного газа из конденсатора, с одной стороны, подключен через регулятор температуры нагретой дегазированной нефти к входу в горелочное устройство нагревателя, с другой стороны - к входу в топливный регулятор двигателя. При этом на выходе из конденсатора охлаждающей сырой нефти перед входом ее в нагреватель установлен нефтяной насос с регулируемой производительностью, на трубе всасывания которого установлена труба Вентури с горлом, сообщенным с выходом конденсатоотводчика, подключенного своим входом к нижней части конденсатора, причем труба подачи пускового топлива подключена через обратный клапан к регулятору температуры нагретой дегазированной нефти. Изобретение позволяет повысить надежность работы технологического нагревателя нефти и приводного двигателя, экономичность эксплуатации и улучшить экологические показатели окружающей среды. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Передвижная электростанция, содержащая электрогенератор тепловой, преимущественно газотурбинный двигатель, и устройство для предварительной обработки топлива, выполненное в виде технологического нагревателя сырой нефти, на выходе которого установлен сепаратор для отделения газа, в том числе и попутного газа, используемого в качестве топлива двигателя электростанции, отличающаяся тем, что в нагревателе нефти источником греющей среды применено горелочное устройство, в котором в качестве основного топлива использована часть попутного газа, отделенного в сепараторе нагревателя, а в качестве пускового топлива, например, паровая фаза сжиженного газа с числом Воббе, одинаковым с основным топливом. 2. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что нагреватель нефти и сепаратор выполнены в одном агрегате в виде вертикально установленного кожухотрубного теплообменника, экранированного, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб, кольцевые зазоры которых с нижнего конца сообщены съемными патрубками с коллектором входа нагреваемой сырой нефти, а с верхнего конца посредством тангенциального завихрителя сообщены с входом во внутренние трубы, подключенные с нижнего конца съемными патрубками к коллектору отвода нагретой дегазированной нефти, а с верхнего конца - съемными патрубками с коллектором отвода попутного газа, причем в кольцевом зазоре штыковых труб установлен завихритель, выполненный в виде проволоки, спирально навитой по всей длине внутренних труб до входа нагреваемого потока в упомянутый тангенциальный завихритель, кроме того, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлено плохообтекаемое тело-экран в виде конуса, соосного с кожухом и дымовой трубой и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства так, что протяженность топочного объема по оси теплообменника, ограниченного с одного конца амбразурой горелочного устройства, с другого - экраном, не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства, при этом наружный диаметр экрана составляет не менее трех четвертей от внутреннего диаметра дымовой трубы, а расстояние от среза экрана до устья дымовой трубы - не менее двух с половиной величин наружного диаметра экрана. 3. Электростанция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что коллектор отвода попутного газа от нагревателя подключен через опускной трубопровод к конденсатору, охлаждаемому сырой нефтью таким образом, что выход попутного газа, отделенного в сепараторе и очищенного в конденсаторе, с одной стороны подключен через регулятор температуры нагретой дегазированной нефти к входу в горелочное устройство, а с другой стороны - к входу в топливный регулятор двигателя, при этом на выходе из конденсатора охлаждающей сырой нефти перед входом ее в нагреватель установлен нефтяной насос с регулируемой производительностью, на трубе всасывания которого установлена труба Вентури с горлом, сообщенным с выходом конденсатоотводчика, подключенного своим входом к нижней части конденсатора, причем, труба подачи пускового топлива подключена через обратный клапан к регулятору температуры нагретой дегазированной нефти.