Вертикальная установка для термического обезвреживания газа и воды Российский патент 2021 года по МПК F23G7/08 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для утилизации попутно-добываемых и отделяемых от нефти газа и пластовой воды на ранних стадиях эксплуатации нефтяного месторождения.

В России широкое применение получил огневой метод, как наиболее универсальный, надежный и недорогой. Сущность такого метода заключается в том, что промысловые стоки в распыленном мелкодисперсном состоянии впрыскиваются в факел, образуемый при сжигании газообразного или жидкого топлива. При этом происходит испарение воды, а вредные примеси разлагаются (сгорают) до безвредных составляющих (СО₂ и Н₂О).

Известны горизонтальные факельные установки термической утилизации промышленных стоков, в том числе и пластовой воды, путем испарения стоков в факеле горения природного газа с одновременным сжиганием органических и вредных примесей (Установка для сжигания промышленных стоков ГФУ-5, сайт ООО «ТюменНИИгипрогаз» - www.tngg.ru).

Использование горизонтальных факельных установок требует наличие источника напорного газа (с давлением не менее 0,2 МПа) для горелочного устройства установки, используемого в качестве топлива для термического обезвреживания (испарения) отделяемой от нефти нефтепромысловой сточной воды. Для обезвреживания (сжигания) отделяемого из нефти газа с давлением менее 0,2 МПа требуется дополнительно устанавливать факел низкого давления.

Полная утилизация (сжигание) попутно-добываемого газа обеспечивается в вертикальных факельных установках различной конструкции, в том числе и с использованием тепла сжигаемого газа, например, в так называемых установках нагрева рабочего агента (УНРА).

Известна вертикальная установка для термического обезвреживания газа и воды, включающая расположенные последовательно снизу вверх цилиндрическую камеру сжигания газа и дымовую трубу с устройством для отвода и возврата дымовых газов, предназначенная для эксплуатации на нефтяных и нефтегазовых месторождениях, для нагрева рабочего агента (подтоварной воды) подаваемого на буровую скважину. (Установка нагрева рабочего агента УНРА, сайт ООО «Энерготекнолоджи», info@enetech.ru).

В данной установке в качестве теплоносителя используются дымовые газы, образующиеся в процессе сгорания, т.е. сгорание газа осуществляется в отдельной вертикальной камере, в нижней части корпуса которой расположены основные горелки, на которых происходит воспламенение газового потока. Дымовые газы выходят из камеры сжигания за счет естественной тяги и служат теплоносителем для нагрева различных рабочих агентов установок подготовки нефти (воды, водонефтяной эмульсии и др.). При этом отвод дымовых газов из дымовой трубы в теплообменное устройство и возврат их в дымовую трубу после прохождения теплообменного устройства осуществляется с помощью газодувки (дымососа).

Недостатком известной установки является то, что она не обеспечивает термическое обезвреживание (испарение) отделяемой от нефти пластовой воды.

Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности работы вертикальной установки для термического обезвреживания газа и воды, за счет обеспечения испарения пластовой воды в потоке дымовых газов, образующихся при сжигании попутно-добываемого газа.

Технический результат достигается тем, что в вертикальная установка, содержащая цилиндрическую камеру сжигания газа, дымовую трубу и устройства для отвода и возврата дымовых газов, снабжена камерой испарения, установленной между камерой сжигания газа и дымовой трубой, выполненной в виде расширяющегося снизу вверх усеченного конуса с форсунками для капельного ввода испаряемой воды, причем отношение верхнего диаметра (Dg) усеченного конуса и его нижнему диаметру (Он) может определяться следующим соотношением:

где: W_дг - начальная скорость дымовых газов, выходящих из камеры сгорания; W_витк - скорость витания капли в потоке дымовых газов, а устройство отвода дымовых газов может быть соединено с камерой испарения в верхней ее части.

Размещение между камерой сжигания газа и дымовой трубой камеры испарения, выполненной в виде усеченного конуса, расширяющегося снизу вверх, и снабженной форсунками для капельного ввода испаряемой воды позволяет производить обезвреживание отделяемой от нефти пластовой воды путем ее полного испарения в токе дымовых газов, образующихся при сжигании попутно-добываемого газа, что, в свою очередь, позволяет, при соответствующем технико-экономическом обосновании, решать проблему утилизации газа и воды на ранних стадиях эксплуатации нефтяных месторождений, на первоочередных участках добычи нефти, т.е. в условиях временного отсутствия других возможностей использования газа и воды в промысловых условиях.

Расчетная конусность камеры испарения, а именно соответствие размера верхнего и нижнего диаметров (D_в и D_н, соответственно) усеченного конуса определенному соотношению где: W_дг - начальная скорость дымовых газов, выходящих из камеры сгорания; W_витк - скорость витания капли в потоке дымовых газов, обеспечивает, с одной стороны, минимум величины выноса капель в дымовую трубу, а с другой стороны, минимум величины выпадения капель в камеру сгорания.

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 представлена предлагаемая вертикальная установка для обезвреживания газа и воды.

Установка термического обезвреживания газа и воды содержит линию входа газа 1 с горелками 2, камеру 3 сжигания газа, камеру 4 испарения, снабженную форсунками 5 для впрыскивания пластовой воды и дымовую трубу 6. Установка также снабжена штуцером 7 отвода парогазовой смеси из верхней части камеры испарения и штуцером 8 ввода парогазовой смеси в дымовую трубу.

Камера испарения 4 выполнена в виде в виде усеченного конуса, причем отношение верхнего диаметра камеры 4 к ее нижнему диаметру определяется следующим соотношением:

где: W_дг - начальная скорость дымовых газов, выходящих из камеры сгорания; W_витк - скорость витания капли в потоке дымовых газов.

Данное соотношение выбрано из следующих соображений.

Для обеспечения полноты испарения необходимо чтобы скорость падения впрыскиваемых в камеру 4 испарения капель была не выше скорости движения дымовых газов, выходящих из камеры 3 сжигания газа, а, с другой стороны, не ниже скорости уноса капель в дымовую трубу 6. Следовательно, после выхода дымовых газов из камеры сгорания, их скорость должна быть уменьшена до определенной величины, называемой скоростью витания капель (скоростью при которой капля в потоке дымовых газов переходит во взвешенное состояние).

Скорость витания определяется, главным образом, размером капли, при этом с уменьшением размера капли уменьшается и скорость витания.

где: Аr - критерий Архимеда для капли воды в потоке дымовых газов; d_к - диаметр капли, впрыскиваемой в камеру испарения, g - ускорение свободного падения, ρ_в - плотность воды; μ_дг, ρ_дг - динамическая вязкость и плотность дымовых газов, соответственно.

Скорость потока дымовых газов на выходе из камеры сгорания, как правило, задается исходя из рекомендаций по допустимым скоростям в дымовых трубах. Таким образом, нижний диаметр камеры испарения определяется по формуле:

где: Q_дг - расход дымовых газов; [W_дг] - рекомендуемая скорость дымовых газов.

Минимальный верхний диаметр камеры испарения определяется по формуле:

Таким образом, отношение верхнего диаметра D_в камеры 4 к ее нижнему диаметру D_н должно составить

Установка работает следующим образом.

Отделенный в системе сбора и подготовки нефти попутно-добываемый газ, подлежащий термическому обезвреживанию (сжиганию) направляется в линию 1 входа газа и поступает на горелки 2, где сгорает, и образующиеся при этом дымовые газы направляются в камеру испарения 4, в которую через форсунки 5 впрыскивается распыленная в этих форсунках пластовая вода. Распыленная в дымовых газах вода превращается в пар и вместе с дымовыми газами через дымовую трубу 6 выбрасывается в атмосферу.

При необходимости и возможности использования тепла дымовых газов, последние совместно с испаренной водой отбираются из верхней части камеры 4 испарения через штуцер 7 и направлены в теплообменное устройство (не показано). Отдав часть тепла рабочему агенту (водонефтяная эмульсия, нефть) дымовые газы возвращаются на установку и поступают в дымовую трубу по штуцеру 8.

Пример работы установки в составе опытно-промышленного участка сбора, подготовки и отгрузки нефти.

После разгазирования и обезвоживания поступающей на участок водонефтегазовой смеси, отделенные попутно-добытые газ и вода поступают на установку термического обезвреживания. Расход воды в данном примере составляет 1,414 т/ч; газа - 362,8 ст. м³/ч. Расчет процесса сгорания данного количества газа показал, что расход дымовых газов будет равен 5354,5 ст м³/ч с теоретической температурой 1732°С.

Скорость витания капли диаметром 60 мкм (расчетный диаметр капли распыливаемой воды в форсунках) составит 1,3 м/с. Следовательно, верхний диаметр конусной части камеры испарения составит 1,2 м.

При конструировании установки можно принять любую скорость дымовых газов выше скорости витания капли, однако, рекомендуется принимать скорость потока в дымовых трубах 6-8 м/с.

Задавая скорость дымовых газов в нижней части камеры испарения, например, 6 м/с, получим, что в этом случае расчетный нижний диаметр камеры испарения будет равен D_н=1,2/(6/1,3)^0,5=0,559≈0,6 м.

Высота камеры испарения обусловлена скоростью испарения капли в токе дымовых газов; для данного примера эта высота равна 2, 34 м.

Изобретение позволяет повысить эффективность работы вертикальной установки для термического обезвреживания газа и воды, обеспечивая полноту испарения пластовой воды в потоке дымовых газов, образующихся при сжигании попутно-добываемого газа.

Изобретение может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для утилизации попутно добываемых и отделяемых от нефти, газа и пластовой воды на ранних стадиях эксплуатации нефтяного месторождения. Вертикальная установка для термического обезвреживания газа и воды содержит цилиндрическую камеру (3) сжигания газа, дымовую трубу (6) и устройства для отвода и возврата дымовых газов. Установка снабжена камерой (4) испарения, установленной между камерой (3) сжигания газа и дымовой трубой (6). Камера (4) испарения выполнена в виде расширяющегося снизу вверх усеченного конуса с форсунками (5) для капельного ввода испаряемой воды. Технический результат заключается в обеспечении полноты испарения пластовой воды в потоке дымовых газов, образующихся при сжигании попутно-добываемого газа. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вертикальная установка для термического обезвреживания газа и воды, содержащая цилиндрическую камеру сжигания газа, дымовую трубу и устройства для отвода и возврата дымовых газов, отличающаяся тем, что она снабжена камерой испарения, установленной между камерой сжигания газа и дымовой трубой, выполненной в виде расширяющегося снизу вверх усеченного конуса с форсунками для капельного ввода испаряемой воды.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в камере испарения отношение верхнего диаметра усеченного конуса к его нижнему диаметру определяется следующим соотношением: где: W_дг - начальная скорость дымовых газов в камере сгорания; W_витк - скорость витания капли в потоке дымовых газов.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что устройство отвода дымовых газов соединено с камерой испарения в верхней ее части.