СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ГОРЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ФЛЮИДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК F23G7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в основном относится к подготовке скважинных флюидов к их утилизации, более конкретно - к устройству и способу экологически чистого горения с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем для сжигания скважинных флюидов с целью их утилизации.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В настоящее время при проведении гидродинамических испытаний скважин образуется значительное количество загрязненного скважинного флюида, который подлежит утилизации. Такой загрязненный скважинный флюид обычно включает смесь нефти, углеводородного газа и воды, при этом он может содержать мелкие частицы, токсичные газы, такие как сероводород, а также присадки к буровому раствору и жидкости для очистки скважин. Основной метод обработки такого флюида с целью его последующей утилизации состоит в сепарации его водного компонента от жидкости и последующей раздельной утилизации его компонентов - углеводородного газа и нефти. Инфраструктура на морских буровых платформах часто является недостаточно развитой для переработки и транспортировки нефти и других углеводородных компонентов, полученных из загрязненного флюида, с целью его дальнейшего использования. В связи с этим нефть и углеводородный газ, сепарированные из загрязненного флюида, часто утилизируют путем сжигания. Однако вследствие того, что выделенные нефть и газ после сепарации все еще могут содержать значительное количество воды, мелких частиц, невоспламеняющихся химических добавок и токсичных газов, то сжигание таких нефтяных и газовых компонентов сложно обеспечить, поскольку их горение сопровождается выделением значительного количества опасных химических веществ, сильным шумом, а также выделением большого количеств тепла, что негативно влияет на окружающую среду и условия труда персонала. Таким образом, уровень загрязнения окружающей среды непосредственно связан с эффективностью и полнотой протекания процессов сжигания, применяемых для утилизации сепарированных нефти и газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Изобретение, иллюстрированное различными примерами осуществления, предназначено для решения приведенных выше, а также прочих потребностей и проблем, представляет собой горелочную систему и метод эффективного сжигания загрязненных углеводородов (например, сухого газа, влажного или ретроградного газа, водонефтяных смесей и т.д.), образующихся в процессе гидродинамических испытаний скважин, при этом эффективное и чистое горение достигается путем принудительного нагнетания воздуха. Новая система обеспечивает интенсивную подачу воздуха с его предварительным смешиванием с газообразными или распыленными углеводородными отходами, эжекцию данной обогащенной топливом смеси в атмосферу через форсунку и ее сгорание в открытом пламени. Приток воздуха обеспечивается воздушным винтом, который приводится в движение газотурбинным двигателем, при этом двигатель может работать за счет топлива, полученного в процессе сепарации лучшей части скважинного флюида в процессе гидродинамического испытания скважины. Преимущество заключается в том, что в большинстве случаев снабжение топливом и приведение в движение системы осуществляется за счет скважинного флюида (например, которое служит в этом случае в качестве загрязненного топлива). Предварительное смешивание воздуха с таким загрязненным топливом обеспечивает лучшее качество пламени (например, малое выделение дыма и низкое тепловое излучение). Дополнительным преимуществом является то, что новая система объединяет двигатель, воздушный винт и камеру сгорания в единую установку, установленную на стреле или платформе, причем в системе легко может быть использован существующий газотурбинный агрегат, произведенный авиационной промышленностью. Кроме того, применяемый авиационный двигатель (например, российский турбовинтовой двигатель российского облегченного самолета АН-24, мощность которого составляет приблизительно 2000 л.с., а вес приблизительно 600 кг; российский турбовальный двигатель ТУ-2117ТГ популярного российского вертолета Ми-8 мощностью приблизительно 1000 л.с. и весом приблизительно 300 кг и т.д.) обладает достаточной мощностью для создания интенсивного потока воздуха, необходимого для чистого горения особо загрязненного топлива.

[0004] Соответственно, в качестве примера осуществления настоящего изобретения здесь представлена система и метод чистого сжигания загрязненных углеводородных флюидов, включающих газообразные, жидкие или газожидкостные потоки, образующиеся в процессе гидродинамических испытаний скважин; включающая подачу топлива, которая поставляет загрязненные углеводородные флюиды и запасное углеводородное топливо; соединенное с ним топливораспределительному устройство, и подключенный к топливораспределительному устройству газотурбинный двигатель, работающий на запасном углеводородном топливе или на загрязненных углеводородных флюидах, либо на их комбинации. Воздушный винт, установленный на валу, нагнетает воздух в камеру предварительного смешения. Набор форсунок камеры предварительного смешения соединен с топливораспределительным устройством и обеспечивает распыление загрязненных углеводородных флюидов в поток нагнетаемого воздушным винтом воздуха, направленного к укрепленному в камере ниже по потоку запальному устройству. Горелочная насадка, соединенная с нижним по потоку концом камеры предварительного смешения, формирует и направляет образующееся пламя. Блок управления соединен с топливораспределительным устройством, регулирующими элементами газотурбинного двигателя и датчиками обратной связи для управления системой.

[0005] Кроме того, другие аспекты, особенности и преимущества настоящего изобретения явно и без труда вытекают из приведенного в настоящем документе описания, включая фигуры, которые иллюстрируют ряд возможных примеров его осуществления и внедрения. Настоящее изобретение также может быть воплощено в других вариантах осуществления, а некоторые из его характеристик могут быть изменены, но без отступления от объема и сущности настоящего изобретения. Соответственно, фигуры и описания должны рассматриваться исключительно как приведенные для иллюстрации, а не как ограничения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

[0006] Варианты осуществления настоящего изобретения представлены на прилагаемых фигурах исключительно в качестве примера, а не в ограничение, при этом на фигурах номера позиций соответствуют аналогичным элементам, в которых:

[0007] Фиг.1 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем;

[0008] Фиг.2 иллюстрирует еще один пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем;

[0009] Фиг.3 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха турбовальным двигателем;

[0010] Фиг.4 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха и имеющего камеру предварительного смешения с воздушными заслонками;

[0011] Фиг.5 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха и имеющего многотрубную камеру предварительного смешения и сопло;

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Настоящее описание изобретения включает в себя признание того, что при проведении работ по гидродинамическому испытанию скважин возникает серьезная проблема утилизации флюида, образующегося в ходе данных тестировочных работ. Эти флюиды могут содержать нефть, газ, воду, мелкодисперсные частицы, присадки к буровому раствору или жидкости для очистки скважин и т.д. Часто на морских платформах на стадии поисково-разведочных работ отсутствует необходимая трубопроводная инфраструктура, предназначенная для обработки и транспортировки загрязненных углеводородов и тому подобного для последующего использования. Преимуществом примеров осуществления настоящего изобретения является простая и эффективная система и метод утилизации углеводородов на объекте посредством их сжигания экологически чистым способом.

[0013] Настоящее описание изобретения дальше включает признание того, что продолжительность присутствия углеводородов во время их сжигания на объекте составляет от нескольких часов до нескольких дней. Таким образом, проблема чистого сгорания на морских платформах отличается от проблемы сжигания отработанного газа на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Кроме того, при гидродинамических испытаниях нефтегазовых скважин состав загрязненного топлива может сильно варьироваться, что особенно критично, если содержание воды (обводнение) слишком велико для эффективного сгорания (например, без образования дыма и выпадения несгоревших углеводородов). Также в скважинах с преобладанием нефти могут появиться жидкостные и газовые пробки. Более того, расход жидкостей и газов, отводимых из скважины, изначально нестабилен вследствие переходных процессов, имеющих место при гидродинамических испытаниях скважин, что приводит к дальнейшим проблемам с утилизацией. В отличие от НПЗ, содержание газа на морских платформах непредсказуемо, меняется со временем и может включать значительные количества коррозионно-агрессивных газов, например, H2S, CO2, капли воды, капли нефти и т.д.

[0014] Другой серьезной проблемой эффективного сжигания углеводородов на морских платформах является обеспечение безопасных и чистых условий труда для персонала. Например, большие факелы газа или нефти создают сильный шум, выделение тепла и загрязнение окружающей среды, когда в пламени несбалансированно отношение окислитель/горючее. Для снижения подобных негативных эффектов горелка открытого пламени может быть установлена на длинной стреле для того чтобы удалить ее как можно дальше от платформы. Кроме того, возможно использование системы распыления воды на стреле, для того чтобы создать водяную завесу позади нефтяной/газовой горелки и защитить платформу от избыточного теплового излучения (например, излучение тепла от нефтяного/газового пламени может достигать нескольких десятков кВт/м2).

[0015] Существует несколько технологий утилизации углеводородных флюидов. Например, первое разработанное и коммерциализованное устройство компании «Шлюмберже» - SeaDragon™ было введено в эксплуатацию в 1971 году. Это был крупный прорыв в оказании услуг по гидродинамическому испытанию скважин, оказавший значительное влияние на экологичность проведения работ.

[0016] Горелка EverGreen™ производства компании «Шлюмберже», разработанная в 1991 году, была предназначена для минимизации экологического ущерба посредством достижения более полного сжигания и расширением номенклатуры скважин, пригодных для испытаний. При этой технологии скважинные жидкость и газ сепарируются друг от друга в трехфазном сепараторе, предназначенном для гидродинамических испытаний скважин, а газ сжигается на факеле с использованием обычного оголовка газовой горелки. Горелка для гидродинамических испытаний скважин EverGreen™ может применяться для сжигания нефти, содержащей остаточную воду.

[0017] Также экологически чистые гидродинамические испытания скважин проводились с применением многофазного расходомера (например, PhaseTester™ компании «Шлюмберже»). Поскольку данный тип расходомера работает на малом перепаде давления, его применение не требует газофазного сепаратора. Жидкости и газы, отводимые из скважины на стадиях ее испытания и эксплуатации, могут подаваться в трубопроводную систему. Данный подход позволяет снизить факельное сжигание газа на 60% (см., например, Y. El-Khazindar, M. Ramzi Darwish, A. Tengirsek, "Environmentally Friendly Well Testing," SPE 74106). Однако такой метод полного сокращения факельного сжигания газа не решает проблему утилизации жидкости при гидродинамических испытаниях морских скважин, поскольку информация о составе флюида не используется для управления процессом сжигания нефти.

[0018] Другой метод для утилизации углеводородов при гидродинамических испытаниях скважин, недавно разработанный компанией «Шлюмберже», предусматривает: (1) сепарацию многофазного потока из скважины на газовый и жидкий компоненты с дальнейшей подачей газового компонента на вход газовой горелки, (2) направление водно-нефтяной смеси в многофазный расходомер, который регистрирует данные фазового состава смеси жидкостей в режиме реального времени и передает итоговую информацию о содержании воды (т.е. обводнении) на программируемый контроллер. На основе информации о составе жидкости, получаемой в режиме реального времени, можно регулировать подачу флюида на сжигание путем добавления дополнительного количества топлива из резерва. Если обводнение слишком велико, контроллер перенаправляет жидкость с нефтяной горелки в отводящий трубопровод. Такая система представляет собой «интеллектуальную горелку», которая оптимизирует сжигание на открытом воздухе с целью минимизации выбросов сажистого дыма и других опасных экологических выбросов. Также данная система расширяет границы функционирования горелки в условиях обводнения «загрязненного топлива». Тем не менее, такая система при гидродинамических испытаниях скважин для сжигания нефти требует наличия отдельного воздушного компрессора, который занимает ценную площадь на морской платформе и потребляет электроэнергию. Хотя воздушный компрессор управляется центральным процессором, инерция компрессора и колебания подачи загрязненного топлива, имеющие место при опробовании скважин, могут препятствовать обеспечению режима бездымного сжигания даже при использовании «интеллектуальной горелки». Более того, «интеллектуальная горелка» предназначена для сжигания в основном жидкофазного загрязненного флюида, в то время как газовый компонент сжигается в типичных оголовках газового факела, и обладает всеми недостатками газовых горелок, работающих на открытом воздухе.

[0019] Что касается горелок для сжигания газа в морских условиях, имеется много модификаций «газовых факельных установок» (см., например, серию факельных установок производства John Zink Company, США). Такие горелки, однако, в основном предназначены для промышленного использования. Особая конструкция факельных оголовков, использующее распыление воды и нагнетание водяного пара в пламя, дает изготовителям возможность проектировать данные факельные установки с пониженным уровнем задымления, шума и теплового излучения, значительно снижая, таким образом, длину стрелы. Однако если попутный газ содержит большое количество воды или состав нефтесодержащего флюида меняется значительно и слишком быстро, чистота горения таких факелов значительно снижается. Чистота процесса горения при гидродинамическом испытании скважин требует поддержания отношения воздух/топливо, близкого к оптимальному, и кроме того, расход воздуха для горения должен быть достаточно высоким.

[0020] Преимуществом примеров осуществления настоящего изобретения является универсальность горелки способной сжигать углеводороды, и газы содержащих некоторое количество жидкости (например, водонефтяные смеси, газ, газовые конденсаты и т.д.), которая надежно функционирует в широком диапазоне уровней расхода и состава загрязненных топлив. Описанная в примерах универсальная горелка также характеризуется малошумной работой, низким уровнем теплового потока на платформу и нечувствительностью к ветру при эксплуатации на морской платформе.

[0021] Идея использования энергии газообразных продуктов сгорания для подачи воздушного потока к другим частям установки получила широкое распространение. Например, в автомобильной промышленности кинетическая энергия горячих выхлопных газов приводит в действие специальную турбину. Такая высокоскоростная турбина устанавливается на одном валу с воздушным компрессором. Вращая вал воздушного компрессора, горячие газы инициируют сильный поток воздуха из воздушного фильтра к входному отверстию системы впуска воздуха (например, это называется «турбонаддувом»). Таким образом, использованная кинетическая энергия выхлопных газов увеличивает подачу воздуха к двигателю внутреннего сгорания.

[0022] Система, описанная в заявке на патент РФ RU 2093416, включает безопасную систему генерации тепла для наддува воздушного шара высокоскоростным потоком горячего воздуха. В состав теплогенератора входит вентилятор, камера сгорания с форсунками, подключенными к баллону с топливным газом, и смеситель для заполнения оболочки монгольфьера смесью воздуха и горючих газообразных продуктов. При этом смесь подается с помощью вентилятора, а вентилятор, компрессор и турбина механически связаны между собой. Камера сгорания расположена ниже по потоку компрессора и перед турбиной, при этом турбина установлена на ободе вентилятора и снимает только часть мощности. Компрессор может быть нагнетательного типа. Лопасти компрессора и турбины установлены на едином вращающемся валу. Такая конструкция создает высокоскоростной поток горячего воздуха за счет энергии сжигаемого газового топлива (без негативного влияния на безопасность полета). Тем не менее, такая система не может применяться для сжигания влажного или ретроградного газа.

[0023] Соответственно, примерные варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой устройство полного сжигания загрязненного топлива в открытом пламени, которое может работать в широком диапазоне составов добываемых газа и нефти, а также сжигать загрязненное топливо, оно нечувствительно к погодным условиям, обеспечивает приемлемые уровни шума и теплового излучения от открытого пламени и адаптировано для применения на морских платформах и т.д. В контексте настоящего описания изобретения, термин «загрязненное топливо» может содержать смесь сложного состава, которая меняется от скважины к скважине, при этом такое загрязненное топливо включает необходимое количество углеводородов для поддержания стабильного пламени на открытом воздухе.

[0024] Обратимся теперь к фигурам, где номера позиций обозначают идентичные или соответствующие части в различных видах, более конкретно - к Фиг.1 самому по себе, на нем показано экологически чистое горелочное устройство 100 с нагнетанием воздуха. На Фиг.1 система 100 включает: газотурбинный двигатель 1 (например, турбовальный, турбовинтовой, турбовентиляторный и т.д.), воздухозаборник двигателя 2, воздушный винт 3 (например, вентиляторные лопатки), кожух 4 камеры смешения 7, форсунку в сборе 5, запальное устройство 6, камеру предварительного смешения воздуха и топлива 7, устройство распыления топлива 8 в камере смешения 7, предохранительную сетку 9 воздухозаборника, пламя 10, топливораспределительное устройство 11 для газообразного и жидкого топлива (например, манифольд с набором топливных форсунок), блок управления (БУ) 12, датчик отношения кислород/топливо 13 в камере смешения 7, датчик наличия пламени 14, вход загрязненного топлива 15, трубопровод 16 для подачи топлива к газотурбинному двигателю 1, трубопровод 17 для подачи топлива в камеру предварительного смешения 7, трубопровод 18 для подачи газового топлива на запальное устройство 6, линию связи 19 между блоком управления 12 и топливораспределительным устройством 11, линию связи 20 между блоком управления 12 и регуляторами газотурбинного двигателя, линию связи 21 между блоком управления 12 и запальным устройством 6, линию связи 22 от датчика 13 до блока управления 12, линию связи 23 между датчиком 14 и блоком управления 12, и впуск топлива для двигателя 27.

[0025] Преимуществом примеров горелочного устройства 100 является возможность работы с различными видами топлива, в том числе с загрязненным топливом, используемым для функционирования газотурбинного двигателя 1, который приводит в действие вал и воздушный винт 3. Предпочтительным загрязненным топливом газотурбинного двигателя 1 является метан, бутан или смесь легких газообразных олефинов с низким содержанием сероводорода и т.п., оно может представлять собой фракцию загрязненного топлива, извлеченного из скважины. Такая газообразная смесь может поступать из газового выхода газожидкостного сепаратора в топливораспределительное устройство 11. Это загрязненное газообразное топливо может быть предварительно подготовлено для газотурбинного двигателя 1 снижением содержания воды и сероводорода, например, используя известные технологии по очистке газа от соединений серы. Такой фильтр/реактор может являться составной частью топливораспределительного устройства 11. Приемлемым уровнем понижения концентрации H₂S может быть значение менее 5-7%, например, как это продемонстрировали газовые микротурбины Capstone Turbine Corporation: установка Capstone MicroTurbine™, функционируя в сборе с аккумулятором, работала на сернистом газе свыше 1000 часов без снижения производительности. Сернистый газ - это неочищенный растворенный газ, содержащий высокую концентрацию сероводорода (H₂S). Таким образом Capstone MicroTurbine™ также способна работать на сернистом газе, содержащем 5-7% H₂S в метане.

[0026] Помимо этого, эксперименты с десульфуризацией сернистого газа с применением металлических и природных цеолитов продемонстрировали техническую возможность снижения концентрации сероводорода до уровня менее 1% при помощи процесса адсорбции (см., например, S.Yasyerli et al., "Removal of hydrogen sulfide by cliptiolite in a fixed bed adsorber," Chemical Engineering and Processing, 41(9), pp.X785-792, 2002; and Brooks, C.S., "Desulfurization over metal zeolites," Separation Science and Technology, 25 (13-15), pp.1817-1828, 1990). Теория сероводородной адсорбции при помощи цеолитов получила дальнейшее развитие в работе Cruz, A.J., "Physical adsorption of H₂S related to the conversion of works of art: The role of the pore structure at low relative pressure," Adsorption, 1195-6, pp.569-576, 2005). Такой уровень сероводорода является достаточным для длительной работы газотурбинных двигателей, описанных в изобретении. Можно использовать и другие варианты десульфуризации подаваемого топлива для газотурбинных двигателей, включая известные химические реакции. Если все же состав газового потока слишком коррозионно агрессивен для случая малообслуживаемой эксплуатации газотурбинного двигателя 1, то можно использовать стандартное топливо (например, бутан, сниженный природный газ (СПГ) или дизельное топливо и т.д.) для обеспечения функционирования многотопливного авиационного газотурбинного двигателя 1.

[0027] В системе 100, изображенной на Фиг.1, запальное устройство 6 поджигает газ, поступающий с газового выхода газожидкостного сепаратора топливораспределительного устройства 11. В большинстве модификаций количество газа, поступающего с газожидкостного сепаратора, является достаточным для подпитки и газотурбинного двигателя 1, и запального устройства 6. Такое «вспомогательное» хранилище топлива является лишь малой частью общего количества углеводородов, подлежащих сожжению морской горелкой, и представляет собой наиболее экономичный способ функционирования системы 100, поскольку при этом отпадает необходимость во внешних источниках топлива.

[0028] Датчик кислорода 13 может представлять собой λ-датчик (например, производства Bosch, Германия), который, как правило, монтируется на выпускной магистрали для регулирования нагнетания воздуха в автомобильные двигатели. Датчик 13 помогает отслеживать разницу между коэффициентом избытка воздуха в смеси в камере предварительного смешения 7 и требуемым стехиометрическим коэффициентом. Большая часть топлива, поступающего в камеру предварительного смешения 7 через систему распыления топлива 8 (например, топливные форсунки), обозначается термином «загрязненное топливо», который является общим термином для обозначения газов и жидкостей, отводимых из скважины. Например, для газовых скважин такое «загрязненное топливо» может представлять собой сухой газ, влажный или ретроградный газ или газовый конденсат. Для нефтяных скважин такое «загрязненное топливо» представляет собой смесь нефти, воды и незначительного количества попутного газа, растворенного во флюиде (например, поступающего из газового сепаратора).

[0029] В случае газообразного топлива газ просто инжектируется в камеру предварительного смешения 7 через ряд трубок или форсунок. В случае жидкого загрязненного топлива оно подвергается мелкодисперсному распылению в высокоскоростном потоке воздуха, при этом конструкция жидкостных распылителей и их необходимое количество хорошо известны специалистам в данной области. Мелкодисперсное распыление через жидкостные форсунки создает в воздухе дисперсию из жидкого топлива, которая может быть сожжена на выходе горелки. В топливораспределительное устройство 11 могут быть вмонтированы все необходимые клапаны, штуцеры, фильтры, манифольды и другие подобные устройства для регулирования подачи такого топлива.

[0030] Газотурбинный двигатель 1 работает на топливе, которое поступает через трубопровод 16, и осуществляет забор воздуха через воздухозаборник 2. Двигатель 1 вращает вал (не показан) с вмонтированным воздушным винтом 3, создающим принудительный поток воздуха 30 в камеру предварительного смешения 7, который регулируется с помощью кожуха 4. Воздух забирается из атмосферы и проходит через предохранительную сетку 9 (например, во избежание неполадок двигателя из-за мусора) в камеру предварительного смешения 7, где воздушный вихревой поток в интенсивном режиме смешивается с загрязненным топливом (например, газом или жидкостью), которое инжектируется через систему распыления топлива 8 (например, топливные форсунки). Образующаяся топливо-воздушная смесь подается за счет тяги через форсунку 5 и далее сгорает на открытом воздухе (например, в пламени 10). Запальное устройство 6 используется для первичного воспламенения пламени 10 и для безопасной эксплуатации при остановке подачи загрязненного топлива. Загрязненное топливо можно направлять от устья скважины через впуск для загрязненного топлива 15 на топливораспределитнльное устройство 11, где осуществляется автоматический мониторинг (например, в режиме онлайн при помощи процессора, блока управления и т.д.) его состава, расхода и прочих параметров (например, давления и температуры). Если данное загрязненное топливо не подходит для нормального функционирования двигателя, то возможно использовать запасное топливо для двигателей и подавать его через впуск топлива для двигателя 27.

[0031] Результаты мониторинга потока передаются по линии связи 19 на блок управления 12. Блок управления 12 сохраняет и обрабатывает данные, полученные по: линии связи 19 между блоком управления 12 и топливораспределительным устройством 11, линии связи 20 между блоком управления 12 и регуляторами газотурбинного двигателя (не показаны), линии связи 21 между блоком управления 12 и запальным устройством 6, линии связи 22 от датчика 13 до блока управления 12, и линии связи 23 между датчиком 14 и блоком управления 12. Блок управления 12 обрабатывает входящие сигналы с различных линий связи и вырабатывает сигналы обратной связи (или, например, сигналы тревоги и т.д.) для оптимизации функционирования системы 100. Датчик содержания воздуха в смеси 13 и датчик наличия пламени 14 используются для контроля процессов смешивания и горения, соответственно.

[0032] Фиг.2 иллюстрирует еще один пример системы экологически чистого горения 200 с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем. Система 200, изображенная на Фиг.2, состоит из: двигателя 1, ориентированного в противоположном направлении по сравнению с двигателем 1 на Фиг.1, так что некоторые рабочие детали газотурбинного двигателя 1 расположены перед камерой предварительного смешения 7. Система 200 функционирует аналогично системе 100, изображенной на Фиг.1, поэтому идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения. Преимуществом системы 200 является сокращение габаритов и массы камеры предварительного смешения 7, а также повышение безопасности системы 200 по параметрам пожаро- и взрывобезопасности, поскольку система 200 более открыта окружающей атмосфере благодаря конфигурации двигателя 1. Кроме того, система 200 характеризуется облегченным доступом к внутренним компонентам двигателя 1, например, при ремонте, техническом обслуживании и регулировке газотурбинного двигателя 1. В системе 200 воздухозаборник 2 ориентирован так, чтобы обеспечить поток воздуха с противоположного направления по отношению к направлению потока, генерируемому воздушным винтом 3 (например, лопатками вентилятора). Во всем прочем система 200 функционирует аналогично системе 100, изображенной на Фиг.1, и идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения.

[0033] На Фиг.3 изображен пример системы экологически чистого горения 300 с нагнетанием воздуха турбовальным двигателем. Турбовальный двигатель 1, изображенный на Фиг.3, представляет собой лучший вариант по сравнению с газотурбинным двигателем 1 на Фиг.2, поскольку данный тип авиационного двигателя имеет вал и воздухозаборник 2 на противоположных сторонах, что исключает необходимость крупных модификаций двигателя 1 и его оснащения. Тем не менее, примеры осуществления данного изобретения допускают применение любых подходящих двигателей: турбовальных, турбовинтовых и прочих двигателей такого рода. Во всем прочем система 300 функционирует аналогично системам 100 и 200, изображенным на Фиг.1-2, поэтому идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения.

[0034] К преимуществам турбовальных двигателей 1 относится то, что некоторые его типы могут работать на топливах различного качества. Например, турбовальные авиационные двигатели для вертолетов (например, российских вертолетов Ми-8) могут использоваться в качестве двигателя 1 системы 300, так как они способны работать на газе, дизельном топливе и даже минимально очищенной сырой нефти. В этой связи, многотопливный турбовальный двигатель ТВ2-117ТГ (например, изготовляемый ранее в СССР) может использоваться в качестве двигателя 1 системы 300. Преимуществом в этом случае является возможность его адаптации к экстремальным условиям и потреблению различных видов топлива (например, при минимальных модификациях блока впрыска топлива), в том числе жидкого пропан-бутанового газа и газового конденсата, моторного топлива для наземных видов транспорта (например, бензина, керосина и их смесей с СПГ), топлива для водного транспорта (например, дизеля, сырой нефти и их смесей с моторным топливом) и т.д. К преимуществам данного типа двигателя также относится встроенное устройство контроля топлива, обеспечивающее запуск и глушение на керосиновом топливе, заполнение трубопроводов керосином на период холостого хода, автоматический переход с одного типа топлива на другой и т.д.

[0035] Аналогично, все модификации двигателя ТВ3-117 компании «Климов» могут использоваться в качестве двигателя 1, поскольку он спроектирован как газотурбинный привод для передвижных энергоустановок на дизельном и газовом топливе. Реактивная модификация газотурбинного двигателя (например, без свободной турбины) может еще применяться для осушки помещений на фермах и в строящихся зданиях использованием струи отходящих продуктов сгорания. Кроме того, эта же модификация используется для сдува снега и льда с дорог, железнодорожных путей и аэродромов. Этот бренд газотурбинных двигателей известен относительной экономичностью и надежностью при нетрадиционном использовании на суше и может применяться в качестве двигателя 1 в системах примеров осуществления изобретения.

[0036] Конструкция камеры предварительного смешения 7 может изменяться в зависимости от технических требований к системе (например, расхода загрязненного топлива, желаемого соотношения воздух/топливо и т.д.). Например, при использовании газового топлива газ поступает в камеру предварительного смешения 7 через ряд круглых отверстий, при этом в случае жидкого загрязненного топлива эти отверстия могут иметь распылительные форсунки или инжекторы для распыления топлива. Кроме того, воздушный винт 3 может быть различной конфигурации, в том числе одноступенчатый и многоступенчатый (например, осевой или центробежной компрессорная система), с однонаправленным или противонаправленным вращением ступеней. Тип и число лопаток воздушного винта 3 зависят от показателей расхода воздуха, потерь давления и мощности двигателя.

[0037] Фиг.4 и 5 иллюстрируют примеры системы 400 и 500, в том числе соответствующие варианты камеры смешения 7, которая может приспосабливаться к работе в условиях переменного расхода загрязненного топлива. Целью проектирования различных конструкций камеры предварительного смешения 7 является поддержание стабильного уровня ниже «богатого предела» воспламенения топливно-воздушной смеси и таким образом предотвращение возникновения риска взрыва присущего стехиометрической смеси воздуха и газового топлива. На Фиг.4, например, заслонки 24 используются для регулирования количества воздуха, поступающего в камеру смешения 7. Преимуществом является то, что при частичном открывании воздушных заслонок 24 обеспечивается снижение подачи воздуха на вход (например, в пространство между кожухами 4 и 26). Данная конструктивная особенность может быть полезна в ситуациях резкого изменения расхода скважинных флюидов, или их состава, позволяя оператору или контроллеру незамедлительно реагировать на изменения показателей расхода. Подобные резкие изменения расхода типичны при работах по очистке скважин в условиях высокой нестабильности потока на устье скважины. Процесс регулирования пламени посредством открывания/закрывания воздушных заслонок 24 контролируется центральным блоком управления 12 (например, посредством линии связи 25). При этом контролируемая порция нагнетаемого воздуха 30 выходит из камеры предварительного смешения 7 через заслонки 24, так что смесь сохраняет постоянное соотношение топливо/воздух без необходимости замедления вращения (например, об./мин) двигателя 1 (например, учитывая то, что двигатель 1 является высоко инертной системой скорость вращения элементов которого высока). Соотношение кислорода и топлива отслеживается датчиком кислорода 13.

[0038] Система 500, изображенная на Фиг.5, может включать кожух 4 с многочисленными встроенными кожухами 26. Преимущество такой конструкции состоит в том, что оператор может выключать нагнетание топлива в отдельные линии 8 и перераспределять подачу загрязненного топлива в другие части камеры предварительного смешения 7. Затем обогащенные топливом смеси из различных частей кожуха 4 смешиваются с воздухом в конечной секции сопла 5, способствуя чистому горению отработанного топлива (например, за счет множественных секций камеры предварительного смешения, что достигается кожухами 26). Система подачи воздуха системы 500 может включать ряд трубок, обеспечивая чередование потоков воздуха и богатой смеси в соседних каналах. Это обеспечивает стадийность горения природного газа, позволяя тем самым снизить уровень образования NO_X, например, как описано в Патенте США 5,846,068, содержание которого включено в настоящий документ только как ссылка. Преимущество описываемой системы состоит только в том, что смешивание потоков с различными коэффициентами избытка воздуха создает режим чистого и стабильного горения. Во всем прочем системы 400 и 500 функционирую аналогично системам 100-300, изображенным на Фиг.1-3, поэтому идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения.

[0039] В примерах осуществления изобретения камера предварительного смешения 7 может включать завихряющие направляющие (не показаны), удлиняющие путь прохождения потока и делающие смешение более интенсивным. Данные завихряющие направляющие изменяют параметр закрутки потока, создаваемого вращением воздушного винта 3. Для краткости завихряющие направляющие не показаны на чертежах, однако они хорошо известны инженерам по системам горения.

[0040] В примерах осуществления изобретения дозвуковое сопло 5 эжектирует топливовоздушную смесь из камеры предварительного смешения 7 в атмосферу для дальнейшего смешивания с атмосферным воздухом и воспламенения запальным устройством 6. Дозвуковое сопло 5 (например, суживающегося или расширяющегося типа) может быть сконфигурировано с учетом номинального расхода смеси (например, газообразного загрязненного топлива воздухом) и оно хорошо знакомо специалистам в области промышленного газового горения. Выбор между серийными конструкциями соплами горелок 5 определяется вариантами использования кинетической энергии потока топливовоздушной смеси для лучшего смешивания основных компонентов и с учетом понижения шумности струи (например, могут использоваться насадки, работающие на эффекте Вентури, завихрители, шевроны, головки сопел лепесткового типа и т.д.).

[0041] Пламя 10 поддерживается постоянным воспламенением работающего на газе запального устройства 6. При добыче газа из скважины с малым дебитом запальное устройство 6, как вариант, может работать как газовый факел. При этом загрязненный газ поступает на запальное устройство 6, а воздух подается за счет вращения газотурбинного двигателя 1 с воздушным винтом 3. Соответственно, при низкой добыче газа система распыления топлива 8 и топливная труба 17 могут быть отключены.

[0042] Положение запального устройства 6 может использоваться для точного регулирования выходного поперечного сечения сопла 5 (например, осевым сдвигом корпуса запального устройства 6). Преимущество состоит в том, что такой вариант может использоваться при низких значениях расхода топлива для газовой горелки (например, для предотвращения возвратного пламени при низких скоростях в камере предварительного смешения 7).

[0043] Далее будет подробно описана последовательность операций пуска и останова примеров систем 100-500 на примере системы 100, изображенной на Фиг.1. Безопасная эксплуатация систем экологически чистого горения 100-500 исключает эффекты срыва и возвратного пламени в процессе функционирования. Это обеспечивается тщательным выбором скоростей воздуха и топлива и безопасной последовательностью проведения работ. Например, рекомендуемая процедура пуска горелочного устройства включает следующие этапы: (этап 1) блок управления 12 переводится в состояние "ВКЛ."; (этап 2) блок управления 12 посылает сигнал, по которому топливораспределительное устройство 11 открывает подачу газа на запальное устройство 6, в результате чего происходит воспламенение факела запального устройства; (этап 3) датчик наличия пламени 14 отслеживает наличие пламени запального устройства 6 (например, при наличии сигнала "НЕТ" блок управления 12 выдает команду на останов системы); (этап 4) если пламя находится в состоянии "ВКЛ.", блок управления 12 посылает команду на топливораспределительное устройство 11 для подачи качественного двигательного топлива для (например, газа или жидкого топлива) на газотурбинный двигатель 1; (этап 5) газотурбинный двигатель 1 в состоянии "ВКЛ."; (этап 6) если газотурбинный двигатель 1 находится в состоянии "ВКЛ.", то блок управления 12 выдает команду на впрыск загрязненного топлива через распределительный топливный трубопровод 8 (например, топливные форсунки), а если двигатель не запускается, блок управления 12 посылает команду на останов системы горения 100 в обратном вышеописанному порядке; (этап 7) при работе двигателя 1 воздушный винт 3 обеспечивает нагнетание воздуха для чистого сжигания загрязненного топлива, при этом стабильность функционирования обеспечивается минимальной регулировкой пламени на основе данных с блока управления 12 (например, чем больше подача отработанного топлива, тем сильнее подача воздуха, т.е. выше мощность газотурбинного двигателя 1); (этап 8) если датчик наличия пламени 14 выдает положительный сигнал "ДА" и датчик кислорода в топливе 13 регистрирует необходимое содержание кислорода в камере предварительного смешения 7 и подает сигнал "ДА", работа системы горения 100 продолжается, а если сигналы о безопасном функционировании горелочного устройства отсутствуют, то блок управления 12 отключает элементы в обратном порядке. Останов системы 100 осуществляется в порядке обратном вышеописанной последовательности этапов. Пуск и останов примеров систем 200-500 выполняется аналогично системе 100, изображенной на Фиг.1, и далее описываться не будет в целях краткости изложения.

[0044] Далее приводятся расчеты для систем экологически чистого горения 100-500 с турбонаддувом. Нижеследующий пример описывает систему 100, изображенную на Фиг.1, используемую для сжигания газа из газовой скважины.

[0045] Согласно теории идеального воздушного винта (см., например, "The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory," by H.Glauert, Cambridge University Press, 1983, p.201), формула для определения мощности на валу может быть представлена в следующем виде:

Nη=Pv,

[0046] где N - мощность двигателя, передаваемая на вал (W), η - КПД воздушного винта, Р - осевое усилие воздушного винта (N), a v (м/с) - скорость потока воздуха ниже по потоку от воздушного винта.

[0047] С другой стороны, уравнение осевого усилия может быть выражено в следующем виде:

Р=2Sρv²,

[0048] где S - площадь, охваченная воздушным винтом в м² (например, площадь поперечного сечения камеры предварительного смешения 7), а ρ - плотность воздуха в кг/м3. Поскольку объемный расход через пропеллер может быть выражен в виде G_V=vS, это дает нам простую зависимость объемного расхода воздуха от мощности, воздействующей на вал, который приводит в действие воздушный винт:

$$G_V=\sqrt[3]{\frac{N\eta S^2}{2\rho }}$$ .

[0049] Давайте выполним расчет для многотопливного газотурбинного двигателя ТВ2 117ТГ вертолета Ми-8 с номинальной мощностью 1000 л.с. (например, на валу) в крейсерском режиме, используя данные технической спецификации. Принимаем КПД воздушного винта равным 0,8 (например, это зависит от конструкции и количества лопаток), а плотность воздуха в атмосферных условиях и температуре 0°C равной 1,2 кг/м3. Размах воздушного винта - 1,5 м, что дает возможность вычислить расход воздуха, нагнетаемого в камеру предварительного смешения 7, по формуле:

$$G_V=\sqrt[3]{\frac{1000*\mathrm{745,7}*\mathrm{0,8}}{2*\mathrm{1,2}}*{\left(\frac{\pi *{\mathrm{1,5}}^2}{4}\right)}^2}\cong 92\left[{м}^3/с\right]$$ .

[0050] Далее рассчитаем количество загрязненного газа, сжигаемого в факеле при атмосферном давлении, в предположении использования предельно обогащенной топливо-воздушной смеси, при этом богатый предел метано-воздушной смеси для воспламенения в воздухе - 15%, пропано-воздушной смеси - 10,1% (см., например, "Industrial Burners Handbook," edited by Charles E. Baukal, Jr., p.26), следующим образом:

$$G_{C{H}_4}=\frac{15}{100-15}{G}_V\cong \mathrm{16,2}\left[{м}^3/с\right]$$ .

$$G_{C_3{H}_8}=\frac{\mathrm{10,1}}{100-\mathrm{10,1}}{G}_V\cong \mathrm{10,3}\left[{м}^3/с\right]$$ .

Далее эти значения пересчитываются в 50 и 32 млн. станд. куб. фут. в день (т.е. в системе измерения величин, применяемой на нефтяных месторождениях), соответственно. Такая расчетная пропорция топливного и окислительного (например, воздуха) компонентов близка к оптимальной для смеси на входе в сопло 5 на Фиг.1 (в которой недостаток подачи газа понизит безопасность системы 100 в отношении взрывоопасности, а более высокое содержание газа по отношению к воздуху приведет к снижению чистоты сжигания метанового топлива).

[0052] Вышеприведенный пример показывает, что двигатель 1 системы 100, изображенной на Фиг.1, при стандартной мощности создает принудительный поток воздуха, соответствующий уровню расхода загрязненного топлива при гидродинамическом испытании скважин. Кроме того, несколько установок системы горения 100 могут работать параллельно для создания увеличенного расхода.

[0053] Для того же значения подачи воздуха через камеру предварительного смешения 7 можно легко рассчитать скорость на выходе из сопла 5 (например, сконструированной в виде круглой трубы) по следующее формуле:

$$v=\left(G_V+G_{C{H}_4}\right)/S=\left(\text{92}+\text{16}\text{.2}\right)/\left(\frac{\pi *{\mathrm{1,5}}^2}{4}\right)\cong 61м/с$$ .

[0054] Умеренная величина скорости на выходе показывает, что поток находится в дозвуковом диапазоне. Преимущество такого значения скорости на выходе состоит в том, что обеспечивается стабильность течения при умеренных ветрах без возникновения возвратного пламени.

[0055] Технические условия на двигатель 1 (например, многотопливная модель ТВ2 117ТГ) определяют удельный расход топлива (например, в крейсерском режиме работы двигателя) на уровне 310 г/л.с. (например, в 1 час). Если принять удельную плотность метана при стандартных условиях равной 0,55, то можно рассчитать объемный расход топлива, поступающего в газотурбинный двигатель 1-0,16 м3/с. Преимущество состоит в том, что данный расчет указывает на высокую эффективность нагнетания воздуха в системе 100, здесь расход газового топлива (например, чистого топлива), потребляемого газотурбинным двигателем 1, составляет менее 1% от общего количества сожженного газа (например, загрязненного топлива).

[0056] Кроме того, к преимуществам систем экологически чистого горения 100-500 например относятся: их универсальность, способность сжигать сухой газ, влажный или ретроградный газ, водонефтяные смеси и т.п.; пониженный выброс сажи и снижение теплового радиационного потока от сжигания за счет предварительного смешивания с воздухом; стабильное и чистое пламя, даже при умеренных количествах водяных капель и CO₂ в скважинных жидкостях и газах; сравнительно малая масса и габариты таких систем (например, относительно мощности двигателя); функционирование в широком диапазоне расхода топлива; мониторинг и регулирование процессов горения в режиме реального времени при помощи блока управления 12; вихревой и турбулентный поток, создаваемый воздушным винтом 3 и обеспечивающий лучшее смешивание в камере предварительного смешения 7; газообразная или жидкая форма используемого загрязненного топлива (например, используя различные топливные форсунки); возможность применения серийных многотопливных двигателей 1 с интегрированной системой управления; высокоскоростной, турбулентный и вихревой воздушный поток в камере предварительного смешения 7, способствующий мелкодисперсному распылению жидкого загрязненного топлива; а также высокоскоростной, турбулентный и вихревой поток на выходе из сопла 5, способствующий дальнейшему смешиванию с атмосферным воздухом на выходе. Аналогичные расчеты могут быть выполнены для подробного описания систем экологически чистого горения 100-500 с турбонаддувом для различных типов двигателей, топливных газов, загрязненных газов, скважин и т.п., что понятно специалистам в соответствующих области науки и техники.

[0057] Вышеописанные устройства и подсистемы примеров осуществления изобретения могут включать, например, соответствующие серверы, рабочие станции, персональные компьютеры (ПК), ноутбуки, карманные персональные компьютеры (КПК), Интернет-устройства, портативные устройства, сотовые телефоны, беспроводные устройства, прочие электронные устройства и т.п., которые способны выполнять процессы примеров осуществления изобретения. Устройства и подсистемы примеров осуществления изобретения могут быть сконфигурированы соответствующим образом для обеспечения связи с любым другим подходящим протоколом и внедрены при помощи одной или нескольких программируемых компьютерных систем или устройств.

[0058] С примерами осуществления изобретения могут использоваться один или более интерфейсов, например, Интернет-доступ, телекоммуникации в любом виде (например, голосовая связь, модем и т.п.), беспроводная связь и т.п. Например, в состав используемых сетей коммуникации могут входить беспроводные сети связи, сотовые сети, сети связи 3G, коммутируемая телефонная связь общего пользования, сети передачи данных с коммутацией пакетов, Интернет, интранет-сети, их комбинации и т.п.

[0059] Необходимо понимать, что устройства и подсистемы примеров осуществления изобретения приведены только в качестве примера, так как возможны различные варианты применения специального аппаратного и/или программного обеспечения, что понятно специалистам в соответствующих областях науки и техники. Например, функциональность одного или нескольких устройств и подсистем примеров осуществления изобретения может быть достигнута путем внедрения одной или нескольких программируемых компьютерных систем или устройств.

[0060] Для внедрения этих и других вариантов можно запрограммировать единую компьютерную систему на выполнение особых целевых функций одного или нескольких устройств и подсистем примеров осуществления изобретения. С другой стороны, две или более программируемые компьютерные системы или устройства можно заменить любым из устройств и подсистем примеров осуществления изобретения. Соответственно, принципы и преимущества распределенной обработки, например, избыточность, дублирование и т.д., также могут использоваться для повышения надежности и производительности устройств и подсистем примеров осуществления изобретения.

[0061] Устройства и подсистемы примеров осуществления изобретения могут хранить данные по различным рабочим процессам, описанным в данном документе. Эта информация может храниться в одном или более устройствах памяти, например, на жестком диске, оптическом диске, магнитно-оптическом диске, RAM и подобных устройств и подсистем примеров осуществления изобретения. Одна или более баз данных устройств и подсистем примеров осуществления изобретения могут хранить информацию, используемую для внедрения примеров осуществления изобретения, описанных в данном документе. База данных может быть организована с использованием структуры данных (например, записей, таблиц, матриц, полей, графиков, деревьев, перечней и т.п.), включенные в один или более блоков памяти или перечисленные здесь устройства хранения информации. Процессы, описанные в отношении примеров осуществления изобретения, могут включать соответствующие структуры данных для хранения информации, собранной и/или сгенерированной в процессе функционирования устройств и подсистем примеров осуществления изобретения, в одной или более баз данных.

[0062] Все устройства и подсистемы вариантов осуществления изобретения или их части могут без труда внедряться при помощи одной или нескольких компьютерных систем общего назначения, микропроцессоров, цифровых процессоров, микроконтроллеров и т.п., запрограммированных согласно указаниям настоящего описания примеров осуществления изобретения, что понятно специалистам по вычислительной технике и программному обеспечению. Соответствующее ПО может быть легко разработано программистами на основе указаний, приведенных в примерах осуществления изобретения, что понятно специалистам по ПО. Кроме того, устройства и подсистемы примеров осуществления изобретения могут быть внедрены путем подготовки специализированных интегрированных схем или соединением в соответствующую сеть, состоящую из обычных компонентов схем, что понятно специалистам по электротехнике. Таким образом, примеры осуществления изобретения не ограничены специфическими комбинациями аппаратного и/или программного обеспечения.

[0063] Примеры осуществления изобретения, сохраненные на любых машиночитаемых носителях или их комбинациях, могут включать ПО для контроля за: устройствами и подсистемами примеров осуществления изобретения; для управления устройствами и подсистемами примеров осуществления изобретения; для осуществления их взаимодействия с пользователем-человеком и т.п. Такое ПО может, например, включать драйверы устройств, встроенные программы, операционные системы, средства разработки, прикладные программы и т.п. Такие машиночитаемые носители могут включать компьютерные программные продукты примера настоящего изобретения для выполнения, полностью или частично (если обработка является распределенной), обработки при внедрении примеров осуществления изобретения. Компьютерные кодирующие устройства примеров осуществления настоящего изобретения могут включать любые необходимые интерпретационные механизмы или механизмы загрузочных модулей, например, скрипты, интерпретируемые программы, динамически линкуемые библиотеки, классы и приложения Java, готовые выполняемые программы, объекты архитектуры CORBA и т.д. Более того, части процесса обработки примеров осуществления настоящего изобретения могут быть распределены для лучшей производительности, надежности, рентабельности и т.д.

[0064] Как указано выше, устройства и подсистемы примеров осуществления изобретения могут включать машиночитаемые носители или блоки памяти для хранения инструкций, запрограммированных согласно указаниям настоящего описания изобретения, а также баз данных, таблиц, записей и/или других описанных здесь данных. Машиночитаемый носитель может включать любой подходящий носитель, участвующий в передаче процессору указаний для исполнения. Такой носитель может иметь различную форму, например, энергонезависимого и энергозависимого носителя, среды передачи данных и т.п. К числу энергонезависимых носителей относятся, например, оптические и магнитные диски, магнитно-оптические диски и т.п. К числу энергозависимых носителей относится динамическая память и т.п. Среда передачи данных может включать коаксиальные кабели, медные провода, оптико-волоконные кабели и т.п. Среда передачи данных также может иметь вид звуковых, оптических, электромагнитных волн и т.п., например, создающихся во время радиочастотной связи, инфракрасной передачи данных и т.п. К обычным формам машиночитаемых носителей относятся, например, дискеты, гибкие и жесткие диски, магнитная лента, любые другие подходящие магнитные носители, CD-ROM, CDRW, DVD, любые другие подходящие оптические носители, перфокарты, перфоленты, листы с оптическими метками, любые другие подходящие физические носители с перфорацией или иными оптически распознаваемыми знаками, RAM, FROM, EPROM, FLASH-EPROM, любые другие подходящие чипы памяти или картриджи, несущие волны или иные машиночитаемые носители.

[0065] Поскольку описание настоящего изобретения представлено несколькими примерами осуществления и их внедрений, настоящее изобретение охватывает различные модификации и эквивалентные конструкции, подпадающие под прилагаемую формулу изобретения, но не ограничивается ими.

Изобретение относится к подготовке скважинных флюидов к их утилизации, а именно к устройству и способу экологически чистого горения с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем для сжигания скважинных флюидов с целью их утилизации. Устройство экологически чистого горения загрязненных углеводородных флюидов, образующихся в процессе гидродинамических испытаний скважин, включает: впуск для топлива 15, куда подаются загрязненные углеводородные флюиды и запасное углеводородное топливо; топливораспределительное устройство 11, соединенное с впуском для топлива; газотурбинный двигатель 1, соединенный с топливораспределительным устройством и работающий на запасном углеводородном топливе, или на загрязненных углеводородных флюидах, либо на их комбинации; воздушный винт 3, укрепленный на валу и приводимый в действие газотурбинным двигателем; камера предварительного смешения 7; запальное устройство 6, соединенное с камерой предварительного смешения; набор форсунок 8 камеры предварительного смешения, соединенный с топливораспределительным устройством, для распыления загрязненных углеводородных флюидов в воздух, нагнетаемый газотурбинным двигателем по направлению к запальному устройству; горелочное сопло 5, соединенное с камерой предварительного смешения, формирует и направляет образующееся пламя; блок управления 12, соединенный с топливораспределительным устройством, регулирующими элементами газотурбинного двигателя и датчиками обратной связи для управления системой. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания скважинных флюидов и снизить загрязнения окружающей среды. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство экологически чистого горения загрязненных углеводородных флюидов, образующихся в процессе гидродинамических испытаний скважин, включающее:
впуск для топлива, куда подаются загрязненные углеводородные флюиды и запасное углеводородное топливо;
топливораспределительное устройство, соединенное с впуском для топлива;
газотурбинный двигатель, соединенный с топливораспределительным устройством и работающий на запасном углеводородном топливе, или на загрязненных углеводородных флюидах, либо на их комбинации;
воздушный винт, укрепленный на валу и приводимый в действие газотурбинным двигателем;
камера предварительного смешения;
запальное устройство, соединенное с камерой предварительного смешения;
набор форсунок камеры предварительного смешения, соединенный с топливораспределительным устройством, для распыления загрязненных углеводородных флюидов в воздух, нагнетаемый газотурбинным двигателем по направлению к запальному устройству;
горелочное сопло, соединенное с камерой предварительного смешения, формирует и направляет образующееся пламя;
блок управления, соединенный с топливораспределительным устройством, регулирующими элементами газотурбинного двигателя и датчиками обратной связи для управления системой.

2. Устройство по п.1, в котором газотурбинный двигатель представляет собой авиационный легкий турбовальный двигатель.

3. Устройство по п.1, в котором газотурбинный двигатель представляет собой авиационный легкий турбовинтовой двигатель.

4. Устройство по п.1, в котором загрязненный углеводородный флюид представляет собой газ, жидкость или газожидкостную смесь.

5. Устройство по п.4, в котором жидкий загрязненный флюид представляет собой смесь нефти, воды и незначительного количества попутного газа, растворенного во флюиде.

6. Устройство по п.1, в котором в состав датчиков входит датчик контроля отношения воздух/топливо, например λ-датчик, расположенный в камере предварительного смешения, используемый для определения соотношения загрязненного флюида и воздуха в камере предварительного смешения.

7. Устройство по п.1, в котором в состав датчиков входит датчик пламени, расположенный снаружи кожуха, используемый для определения образования пламени загрязненного топлива.

8. Устройство по п.1, в котором горелочное сопло включает завихряющие направляющие для завихрения топливовоздушной смеси в камере предварительного смешения.

9. Устройство по п.1, в котором горелочное сопло является дозвуковым.

10. Устройство по п.1, в котором горелочное сопло обеспечивает завихрение топливовоздушной смеси на выходе форсунки.

11. Устройство по п.1, также включающее воздушные заслонки в кожухе для поддержания постоянного топливовоздушного соотношения в камере предварительного смешения за счет открывания/закрывания.

12. Устройство по п.1, также включающее трубки в кожухе, проводящие воздух и загрязненное топливо для стадийного горения и создания областей с различными коэффициентами избытка воздуха для смешивания топлива в камере предварительного смешения.

13. Способ экологически чистого горения загрязненных углеводородных флюидов, образующихся в процессе гидродинамических испытаний скважин, включающий:
поступление на впуск для топлива загрязненных углеводородных флюидов и запасного углеводородного топлива, причем топливораспределительное устройство соединено с впуском для топлива, газотурбинный двигатель соединен с топливораспределительным устройством и работает на запасном углеводородном топливе, или на загрязненных углеводородных флюидах, либо на их комбинации, воздушный винт на валу двигателя приводится в действие газотурбинным двигателем, а запальное устройство соединено с камерой предварительного смешения;
распыление загрязненных углеводородных флюидов производится набором форсунок в камере предварительного смешения, соединенной с топливораспределительным устройством, в нагнетаемый газотурбинным двигателем воздух по направлению к запальному устройству;
горелочное сопло, соединенное с камерой предварительного смешения, формирует и направляет образующееся пламя; и
блок управления, соединенный с топливораспределительным устройством с помощью элементов регулирования газотурбинного двигателя и датчиками обратной связи, обеспечивает контроль системы.

14. Способ по п.13, в котором газотурбинный двигатель представляет собой легкий авиационный турбовальный двигатель.

15. Способ по п.13, в котором газотурбинный двигатель представляет собой легкий авиационный турбовинтовой двигатель.

16. Способ по п.13, в котором загрязненный углеводородный флюид представляет собой газ, жидкость или газожидкостную смесь.

17. Способ по п.16, в котором жидкий загрязненный флюид представляет собой смесь нефти, воды и незначительного количества попутного газа, растворенного во флюиде.

18. Способ по п.13, в котором в состав датчиков входит датчик контроля отношения воздух/топливо, например λ-датчик, расположенный в камере предварительного смешения и используемый для определения соотношения загрязненного флюида и воздуха в камере предварительного смешения.

19. Способ по п.13, в котором в состав датчиков входит датчик пламени, расположенный снаружи кожуха, используемый для определения образования пламени загрязненного топлива.

20. Способ по п.13, также включающий завихрение топливовоздушной смеси в камере предварительного смешения с помощью завихряющих направляющих в горелочном сопле.

21. Способ по п.13, в котором горелочное сопло является дозвуковым.

22. Способ по п.13, в котором горелочное сопло обеспечивает завихрение топливовоздушной смеси на выходе форсунки.

23. Способ по п.13, в котором обеспечивается поддержание постоянного топливовоздушного соотношения в камере предварительного смешения за счет открывания/закрывания воздушных заслонок в кожухе.

24. Способ по п.13, также включающий трубки в кожухе, проводящие воздух и загрязненное топливо для стадийного горения и создания областей с различными коэффициентами избытка воздуха для смешивания топлива в камере предварительного смешения.