СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02C1/02 

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.

Способ утилизации попутного нефтяного газа включает подачу воздуха и подачу попутного нефтяного газа в энергетическую машину, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела и последующее 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. Работу расширения нагретого воздуха в турбине используют для привода компрессора и дополнительного агрегата полезной нагрузки. Энергетическая машина для осуществления способа утилизации попутного нефтяного газа содержит 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. В энергетическую машину введены теплообменник, дополнительные лопаточные машины (компрессор и турбина) и дополнительный агрегат полезной нагрузки, которые кинематически соединены между собой, образуя турбокомпрессор. 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. Выход турбины сообщен с внутренней полостью вытяжной трубы в зоне подвода попутного нефтяного газа камеры сгорания. Изобретение направлено на повышение эффективности энергетической машины за счет повышенного термического кпд тепловой машины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ утилизации попутного нефтяного газа, включающий подачу воздуха и подачу попутного нефтяного газа в энергетическую машину, их смешение и сжигание в ней с получением нагретого рабочего тела, затем преобразование энергии рабочего тела в полезную нагрузку, отличающийся тем, что 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.

2. Способ утилизации попутного нефтяного газа по п.1, отличающийся тем, что для повышения эффективности 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.

3. Энергетическая машина для осуществления способа утилизации попутного нефтяного газа, содержащая 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, отличающаяся тем, что в неё 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.

4. Энергетическая машина для осуществления способа утилизации попутного нефтяного газа по п.3, отличающаяся тем, что 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.