СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДА ПОПУТНЫМ НЕФТЯНЫМ ГАЗОМ Российский патент 2023 года по МПК F16L53/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области нагревательных средств, в которых горение происходит внутри труб, составляющих единое целое с корпусом нагревательного средства, в частности, к устройствам и способам обогрева трубопровода попутным нефтяным газом (ПНГ).

Уровень техники

Известен подогреватель нефти, нефтяной эмульсии и тяжелых нефтяных эмульсий (RU74190U1, опубл. 2008.06.20). Известный подогреватель нефти, нефтяной эмульсии и тяжелых нефтяных эмульсий, характеризуется тем, что он имеет горизонтально вытянутый цилиндрический корпус, заполненный промежуточным теплоносителем, в среде которого размещены прикрепленные к корпусу с помощью фланцев топочная камера U-образной формы, в которую вварены поперечные переточные трубы и расположенный над ней, по меньшей мере, один продуктовый трубчатый змеевик в виде ряда секций, смещенных относительно друг друга, горелочное устройство, дымовую трубу и расширительный бак, топочная камера U-образной формы, в которую вварены поперечные переточные трубы максимального диаметра таким образом, что образуют спираль внутри топочного пространства, способствующую турбулизации (закручиванию) потоков дымовых газов с целью интенсификации теплообмена и наиболее полного использования энергии горения в конвективном теплообмене.

Однако в известном решении используется промежуточный теплоноситель, не используется катализатор, не раскрыто использование ПНГ.

Известен подогреватель жидких и газообразных сред (RU2696160C1, опубл. 2019.07.31). Известное решение относится к устройствам для нагрева различных жидких и газообразных продуктов, в том числе нефти, воды, газа и их смесей, а именно к подогревателям с промежуточным теплоносителем, и может быть использовано в нефтяной, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Подогреватель жидких и газообразных сред содержит корпус, внутри которого размещены топочное устройство с температурным компенсатором, во внутреннем пространстве которого установлена, по меньшей мере, одна оребренная переточная труба и, расположенный с внешней стороны топочного устройства, по меньшей мере, один наружный продуктовый трубчатый змеевик, выполненный в форме цилиндрической спирали, а также горелочное устройство и дымовую трубу, размещенные на концах топочного устройства. наружный продуктовый трубчатый змеевик выполнен в форме цилиндрической спирали, переточные трубы оребрены, и оси корпуса, топочного устройства и наружного продуктового змеевика расположены параллельно. Технический результат заключается в увеличении теплопередачи от горелочного устройства к промежуточному теплоносителю, от промежуточного теплоносителя к продуктовому змеевику, а также от продуктового змеевика к нагреваемому продукту.

Однако в известном решении используется промежуточный теплоноситель, не используется катализатор, не раскрыто использование ПНГ.

Известен выбранный в качестве прототипа блок утилизатор-рекуператор попутного нефтяного газа (RU118400U1, опубл. 2012.07.20). Известное решение относится к теплоэнергетическому оборудованию нефтяной отрасли. Технический результат заключается в упрощении конструкции, повышении надежности и эффективности использования попутного нефтяного газа с получением дополнительного источника тепла за счет теплопередачи через разделяющую твердую стенку от горящего газа рабочему агенту (теплоносителю). Блок утилизатор-рекуператор попутного нефтяного газа содержит корпус, с установленными входным и выходным патрубками и завихритель. Выходных патрубков по меньшей мере два, а в корпусе, в смонтированном внутри завихрителе размещена топка открытого типа, в которой установлен факельный оголовок, соединенный с патрубком для входа газа.

Однако в известном решении не используется катализатор, не раскрыто использование ПНГ, а также условия его горения.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте раскрыто устройство для обогрева трубопровода попутным нефтяным газом, содержащее:

- цилиндрический корпус;

- блок нагрева трубопровода, расположенный внутри корпуса;

- блок поджигания, расположенный внутри корпуса;

- блок подвода газа;

характеризующееся тем, что

- цилиндрический корпус выполнен с возможностью соединения с трубопроводом;

- блок нагрева представляет собой ряд горелок, расположенных вокруг трубопровода;

- блок катализатора расположен внутри цилиндрического корпуса вокруг трубопровода между трубопроводом и блоком нагрева, при этом блок катализатора представляет собой либо сетку с нанесенным катализатором, установленную вокруг трубопровода и закрепленную в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода, либо блок катализатора представляет собой пористый материал с нанесённым катализатором, установленный вокруг трубопровода и закрепленный в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода;

- блок поджигания представляет собой свечу накаливания, выполненную с возможностью обеспечивать температуру воспламенения от 490 до 1000°С,

- блок подвода газа выполнен с возможностью смешивания попутного нефтяного газа и воздуха в заданном соотношении, чтобы количество попутного нефтяного газа составляло от 3 до 10,48% от общего объема,

- выходное отверстие для вывода нагретого газа, содержащего пары воды и углекислый газ.

В другом аспекте раскрыт способ для обогрева трубопровода попутным нефтяным газом, содержащий этапы, на которых:

- готовят газовую смесь;

- поджигают газовую смесь в корпусе, охватывающем трубопровод;

характеризующийся тем, что

- готовят газовую смесь из попутного нефтяного газа и воздуха, причем количество попутного нефтяного газа составляет от 3 до 10,48% от общего объема;

- через ряд горелок запускают газовую смесь в цилиндрический корпус, охватывающий нагреваемый участок трубопровода;

- осуществляют поджиг газовой смеси при температуре от 490 до 1000°С посредством свечи накаливания;

- выводят нагретый газ, содержащий пары воды и углекислый газ, через выходное отверстие,

при этом между рядом горелок и трубопроводом размещают блок катализатора, при этом блок катализатора представляет собой либо сетку с нанесенным катализатором, установленную вокруг трубопровода и закрепленную в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода, либо блок катализатора представляет собой пористый материал с нанесённым катализатором, установленный вокруг трубопровода и закрепленный в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода.

Основной задачей, решаемой заявленным изобретением, является эффективная и экологичная утилизация ПНГ.

Сущность изобретения заключается в том, что ПНГ смешивают с воздухом в заданном соотношении, направляют к ряду горелок, расположенных вокруг трубопровода, и воспламеняют с помощью свечи накаливания. При этом между трубопроводом и горелками располагают слой катализатора, который обеспечивает полное сгорание ПНГ и вывод в качестве продуктов горения лишь углекислого газа и воды.

Технический результат, достигаемый решением, заключается в эффективной и экологичной утилизации попутных нефтяных газов разных составов.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает заявленное изделие на трубопроводе и его разрез.

Осуществление изобретения

ПНГ является ценным ресурсом, но при этом он усложняет добычу нефти, так как способствует повышению частоты выхода нефтедобывающего оборудования из строя, усложняет процесс добычи. В этой связи требуется откачивать ПНГ из скважин, но не всегда при этом есть возможность его экологичной и эффективной утилизации.

Наиболее технологически разработанным и доступным способом утилизации ПНГ является сжигание в факелах или в тепловых энергетических установках, например, котельных агрегатах и газотурбинных установках.

Ввиду специфики свойств и состава ПНГ, сжигание его в котельных агрегатах сопровождается необходимостью обеспечения калорийности самого газа и стабильности осуществления процесса. Так отклонения практической удельной теплоты сгорания газа в котле от расчетных значений снижают КПД процесса и негативно влияют на полноту процесса горения. Для поддержания оптимальной концентрации кислорода в продуктах сгорания и устранения оксида углерода применяется способ оптимизации процесса горения в котле, основанный на регулировании расхода воздуха. Однако, указанный подход имеет существенные ограничения ввиду необходимости предварительного подбора и определения оптимального количества кислорода в дымовых газах, что практически неосуществимо по причине нестабильности состава используемого газа.

Также одним из методов утилизации ПНГ является использование его в качестве топлива для газо-поршневых установок, в том числе, на газо-поршневых электростанциях. В этом случае необходимо учитывать возможность детонации топливной смеси в цилиндрах установок, другие эксплуатационные недостатки использования ПНГ в поршневых двигателях.

Однако ввиду небольшого количества затрубного нефтяного газа, зависящего от газосодержания пластового флюида, технологических особенностей применяемого метода добычи и других параметров, обустройство системы сбора и утилизации накапливаемого в затрубном пространстве газа на малых месторождениях зачастую экономически нецелесообразно, а стравливание его в атмосферу, как было указано ранее, может привести к необходимости выплаты штрафов.

Таким образом, важной задачей стоит необходимость разработки агрегатов малой мощности для полезной утилизации затрубного газа на промысле, способствующих не только применению газа в качестве энергоресурса, но и минимизации вредных выбросов.

Авторами предлагается устройство обогрева трубопровода, основной принцип которого основан на каталитическом окислении затрубного нефтяного газа с получением тепла, которое можно использовать для обогрева трубопровода, осуществляющего перекачку пластового флюида (или иной текучей среды: воды, газа) и, как следствие, позволит не только повысить степень полезной утилизации ПНГ, но и улучшит эксплуатационные характеристики транспортируемой жидкости.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, на которой:

1 – трубопровод,

2 – сетка с катализатором,

3 – горелки,

4 – корпус устройства обогрева,

5 – свеча накаливания.

Важным требованием к разработанному устройству является необходимость обеспечения простой, безопасной, надежной и бесперебойной системы поджига, конструкция которой не допускает сбоя процесса горения в широком диапазоне состава горючей смеси. Для обеспечения надежной работы необходимо учитывать, то, что состав ПНГ различных месторождений варьируется в широких пределах (таблица 1).

Таблица 1. Состав попутного нефтяного газа трех месторождений, % об.

ПНГ 1 ПНГ 2 ПНГ 3 СН4 14,76 3,71 29,91 С2Н6 5,55 4,01 6,11 С3Н8 4,64 5,3 13,45 С4Н10 2,40 3,94 6,57 С5Н12 1,32 1,65 2,65 С6Н14 1,01 0,43 0,97 Н2S 0,26 0,52 0,64 CO2 0,03 3,87 0 N2 70,03 76,57 39,70

С целью обеспечения непрерывности горения необходимо соблюдение важного условия – поддержание соотношения между топливом и окислителем. Так, при снижении доли топливной смеси относительно стехиометрического состава возрастают потери тепла из зоны пламени на нагрев избытка компонента, что приводит к уменьшению скорости распространения пламени, снижению теплового эффекта реакции и повышению скорости охлаждения зоны горения. При подаче бедных смесей (в случае снижения количества горючего) или богатых (недостаток окислителя), в которых соотношение топливо:окислитель выше критического пламя гаснет на некотором расстоянии от места его инициирования или смесь невозможно поджечь за счет внешнего источника тепла.

Как правило, в литературных источниках экспериментальные данные по концентрационным пределам горения приведены для индивидуальных углеводородных газов, в то время как для разнородных по составу ПНГ такие данные отсутствуют.

Авторами определены концентрационные пределы воспламенения углеводородного газа сложного состава (таблица 2).

Таблица 2

Параметр ПНГ 1 ПНГ 2 ПНГ 3 Нижний концентрационный предел горючей части ПНГ, об. % 2,96 2,34 2,93 Верхний концентрационный предел горючей части ПНГ, об. % 11,98 10,48 11,72 Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе горючей части 2,10 2,67 2,13 Коэффициент избытка воздуха на верхнем концентрационном пределе горючей части 0,47 0,55 0,48 Нижний концентрационный предел забалластированного ПНГ, об. % 2,61 3,57 1,54 Верхний концентрационный предел забалластированного ПНГ, об. % 3,12 4,66 1,63 Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе забалластированного ПНГ 1,99 1,31 3,88 Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе забалластированного ПНГ 2,39 1,73 4,10

В рамках исследований авторами предложено каталитическое устройство для обогрева трубопровода , в котором происходит смешение ПНГ затрубного пространства скважины и воздуха в соотношении от 3 до 10,48% от общего и его самовоспламенение внутри полости аппарата посредством достижения температуры 490–1000°С. Предложенные параметры подготовки и воспламенения смеси обеспечивают стабильную и надежную работу устройства и достижение им заявленных результатов.

Данный метод позволяет получить тепло посредством конверсии ПНГ затрубного пространства и использовать его непосредственно на нефтепромысловом объекте для подогрева трубопровода 1, перекачивающего пластовый флюид.

Использование катализатора снижает температуру горения (500–700°С против 1500°С и выше без катализатора) и увеличивает полноту сгорания (образуются только СО₂ и Н₂О при всех составах). В выбросах отсутствует CO, NO_x, сажа, продукты неполного окисления. Обеспечивается более высокий КПД, как следствие, полноты сгорания и меньшей температуры сгорания. Более низкие температуры сгорания ПНГ упрощают использование заявленного устройства для обогрева на трубопроводе 1 с нефтепродуктами. Нагрев нефтепродуктов снижает их вязкость и, как следствие, их легче перекачивать, что в свою очередь приводит к снижению энергозатрат.

Катализатор, расположенный между горелками и трубопроводом, обеспечивает равномерное и полное протекание каталитических реакций по всему объему внутреннего пространства заявленного устройства, что обеспечивает достижение заявленного результата.

В качестве катализатора может использоваться армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Cо₃O₄, CuO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов Ti - Al, Ni - Al, Ni - Cr, Ti – Si. Также может использоваться катализатор на основе Pt/Al₂O₃, Pt/SiO₂, или La, Pd, Pt на Al₂O₃ или Pd, Pt/ZrO₂.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Вариант 1 осуществления

Устройство для обогрева трубопровода 1 попутным нефтяным газом состоит из цилиндрического корпуса 4, выполненного из жаропрочных материалов. Корпус 4 устанавливается на трубопроводе 1 посредством сборочных операций. Внутри корпуса 4 установлен блок нагрева, содержащий ряды горелок 3, равномерно расположенных внутри корпуса 4 вокруг трубопровода 1. К горелкам 3 подводится смесь из ПНГ и воздуха с заданным соотношением упомянутых компонентов.

Смесь готовится с помощью насосов и смесителя (опционально). Воздух на горелки 3 может подаваться как через смеситель, так и напрямую внутрь устройства для обогрева.

Для поджигания смеси используется блок поджигания в виде свечи 5 накаливания, установленной внутри корпуса 4 посредством сборочных операций. К свече 5 накаливания подводится электрическое питание, а сила тока определяет температуру нити накала и соответственно температуру поджига.

Заявленное решение характеризуется использованием блока катализатора, установленного внутри корпуса 4, между горелками 3 и трубопроводом 1. Блок катализатора может представлять собой сетку 2 с нанесенным катализатором, установленную вокруг трубопровода 1 и закрепленную в корпусе 4 так, чтобы обеспечить равномерное расстояние, либо катализатор может быть нанесен непосредственно на трубопровод 1, либо может располагаться на другом твёрдом (например, керамическом) носителе.

В одном из вариантов осуществления смешивание попутного нефтяного газа и воздуха осуществляется так, чтобы количество попутного нефтяного газа составляло от 3 до 12% от общего объема, что обеспечивает стабильное горение и полное сгорание ПНГ известных составов.

В одном из вариантов осуществления свеча 5 накаливания выполнена с возможностью обеспечивать температуру воспламенения от 490 до 1000°С, что позволяет воспламенять смесь ПНГ и воздуха в применяемом диапазоне составов смеси ПНГ и воздуха.

Диаметр заявленного устройства подбирается таким, чтобы обеспечить возможность установки внутри корпуса 4 всех его элементов, при этом, чем больше диаметр устройства, тем больше поверхность рассеивания тепла в окружающую атмосферу, что снижает КПД. Для уменьшения этого рассеивания может применяться высокотемпературная теплоизоляция.

Длина заявленного устройства подбирается такой, чтобы передать заданное количество тепла текучей среде в нефтепроводе.

Вариант 2 осуществления

В одном из вариантов осуществления заявленное устройство представляет собой трубу с установленным на ней корпусом 4. Труба содержит фланцы для прикрепления к трубопроводу 1. Этот вариант осуществления представляет собой конструктивно и функционально единое устройство, производимое на заводе-изготовителе. Все элементы заявленного устройства соединены друг с другом посредством сборочных операций.

При этом в трубе содержится завихритель потока текучей среды, который позволяет более равномерно нагревать текучую среду в трубе за счет ее перемешивания. Завихритель может быть выполнен в виде лопаток, винтовой поверхности, выступов и т.д., конкретная конструкция завихрителя не является существенной в рамках данной заявки. Равномерному нагреву способствует и круговое расположение горелок 3 и сетки 2.

В другом варианте осуществления заявленное устройство монтируется на существующую трубу, которая в таком варианте не содержит завихрителя, и поэтому для достижения того же уровня обогрева необходимо использовать более длинный корпус заявленного устройства.

Вариант 3 осуществления

В одном из вариантов осуществления функции блока смешения выполняет сам корпус 4 заявленного устройства, в этом варианте воздух в корпус 4 подается через трубу или через отверстия в корпусе 4. В этом варианте воздух в корпус 4 попадает самотёком, а горелки 3 обеспечены перфорированным кольцом, из отверстий которого выходит ПНГ, конструкция кольца обеспечивает требуемое соотношение в смеси газов внутри корпуса 4.

Работа заявленного изобретения

Для обогрева трубопровода 1 попутным нефтяным газом готовят газовую смесь и подают ее в корпус 4 устройства для обогрева с помощью блока подвода газа, причем подача осуществляется через множество горелок, расположенных внутри корпуса 4 вокруг трубопровода 1. Количество попутного нефтяного газа в смеси составляет от 3 до 12% от общего объема смеси.

После начала подачи подготовленной газовой смеси на свечу 5 накаливания подают заданный ток, который раскаляет нить накаливания до требуемой температуры, что приводит к поджигу газовой смеси, что вызывает воспламенение газовой смеси во всем объеме корпуса 4 заявленного устройства. Поджиг газовой смеси осуществляется при температуре от 490 до 1000°С. После воспламенения прекращается подача электрического питания на свечу 5, для этого в цепи электропитания свечи установлен датчик пламени, с помощью которого определяется момент воспламенения.

Пламя распространяется от горелок в сторону сетки 2 с нанесенным катализатором, что способствует более быстрому и эффективному окислению компонентов ПНГ, уменьшению количества вредных выбросов.

Нагретый газ, содержащий в основном только углекислый газ и пары воды, выводится из устройства через по меньшей мере одно выходное отверстие.

Тепло передается текучей среде в трубопроводе 1 посредством теплопередачи через металлическую стенку трубопровода 1.

Предложенные диапазоны температуры поджига и концентрации ПНГ в газовой смеси обеспечивают надежную работу и достижение заявленного технического результата.

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе изложенной в описании информации и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Способы, раскрытые здесь, содержат один или несколько этапов или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы изобретения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы изобретения.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Изобретение относится к области нагревательных средств, в которых горение происходит внутри труб, составляющих единое целое с корпусом нагревательного средства, в частности, к устройствам и способам обогрева трубопровода попутным нефтяным газом (ПНГ). Технический результат, достигаемый решением, заключается в возможности эффективной и экологичной утилизации попутных нефтяных газов разных составов. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработано устройство для обогрева трубопровода попутным нефтяным газом, содержащее цилиндрический корпус, блок нагрева трубопровода, расположенный внутри корпуса, блок поджигания, расположенный внутри корпуса, блок подвода газа. Цилиндрический корпус выполнен с возможностью соединения с трубопроводом. Блок нагрева представляет собой ряд горелок, расположенных вокруг трубопровода. Блок катализатора расположен внутри цилиндрического корпуса вокруг трубопровода между трубопроводом и блоком нагрева. Блок поджигания представляет собой свечу накаливания, блок подвода газа выполнен с возможностью смешивания попутного нефтяного газа и воздуха в заданном соотношении. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Устройство для обогрева трубопровода попутным нефтяным газом, содержащее:

- цилиндрический корпус;

- блок нагрева трубопровода, расположенный внутри корпуса;

- блок поджигания, расположенный внутри корпуса;

- блок подвода газа;

характеризующееся тем, что

- цилиндрический корпус выполнен с возможностью соединения с трубопроводом;

- блок нагрева представляет собой ряд горелок, расположенных вокруг трубопровода;

- блок катализатора расположен внутри цилиндрического корпуса вокруг трубопровода, между трубопроводом и блоком нагрева, при этом блок катализатора представляет собой либо сетку с нанесенным катализатором, установленную вокруг трубопровода и закрепленную в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода, либо блок катализатора представляет собой пористый материал с нанесённым катализатором, установленный вокруг трубопровода и закрепленный в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода;

- блок поджигания представляет собой свечу накаливания, выполненную с возможностью обеспечивать температуру воспламенения от 490 до 1000°С,

- блок подвода газа выполнен с возможностью смешивания попутного нефтяного газа и воздуха в заданном соотношении, чтобы количество попутного нефтяного газа составляло от 3 до 10,48% от общего объема,

- выходное отверстие для вывода нагретого газа, содержащего пары воды и углекислый газ.

2. Способ для обогрева трубопровода попутным нефтяным газом, содержащий этапы, на которых:

- готовят газовую смесь;

- поджигают газовую смесь в корпусе, охватывающем трубопровод;

характеризующийся тем, что

- готовят газовую смесь из попутного нефтяного газа и воздуха, причем количество попутного нефтяного газа составляет от 3 до 10,48% от общего объема;

- через ряд горелок запускают газовую смесь в цилиндрический корпус, охватывающий нагреваемый участок трубопровода;

- осуществляют поджиг газовой смеси при температуре от 490 до 1000°С посредством свечи накаливания;

- выводят нагретый газ, содержащий пары воды и углекислый газ, через выходное отверстие,

при этом между рядом горелок и трубопроводом размещают блок катализатора, при этом блок катализатора представляет собой либо сетку с нанесенным катализатором, установленную вокруг трубопровода и закрепленную в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода, либо блок катализатора представляет собой пористый материал с нанесённым катализатором, установленный вокруг трубопровода и закрепленный в корпусе так, чтобы обеспечить равномерное расстояние до трубопровода.