Газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного газа в электроэнергию

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в нефтедобывающей отрасли на месторождениях, где имеют место постоянные выбросы попутного нефтяного газа (ПНГ).

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются находящиеся в эксплуатации ОАО «Газпром» газотурбинные установки (ГТУ) мощностью 6 МВт типа ГТ-750-6 и мощностью 10 МВт ГТК-10-4 (А.И.Рыбников и др. «Эффективность контроля технического состояния и безопасности эксплуатации турбоагрегатов ГТК-10-4 и ГТ-750-6», Ж. Территория Нефтегаз, №2, 2009 г.), выполненные с регенеративным циклом (см. ГОСТ Р 51852-20001. Установки газотурбинные. Термины и определения (ИСО 3977-1), содержащие воздушный компрессор, турбину, камеру сгорания, устройство подогрева воздуха после компрессора, включающее в себя теплообменный аппарат-регенератор, смонтированный в выхлопной трубе, нагнетатель для газоперекачивающего агрегата (ГПА) или электрогенератор для выработки электроэнергии (прототип). Суть регенеративного цикла состоит в том, что воздух, поступающий в камеру сгорания после компрессора, предварительно подогревается в теплообменном аппарате-регенераторе, установленном в выхлопной трубе, за счет тепла выходящих газов после турбины, а необходимая температура перед турбиной обеспечивается путем сгорания природного газа в камере сгорания.

Недостатком газотурбинной установки чисто с регенеративным циклом является то, что в ней не представляется возможным использовать ПНГ без специальной подготовки (без очистки газа и повышения давления).

Технической задачей данного изобретения является расширение области применения ГТУ с регенеративным циклом в интересах топливно-энергетического комплекса, а также повышение эффективности использования углеводородного топлива и улучшение экологии окружающей среды за счет снижения вредных выбросов по оксидам азота NOx и окислам углерода СО при сжигании ПНГ.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой ГТУ, содержащей воздушный компрессор, турбину, камеру сгорания, электрогенератор и устройство подогрева воздуха после компрессора, включающее в себя теплообменный аппарат-регенератор, расположенный в выхлопной трубе, согласно изобретению камера сгорания с выхлопной трубой выполнена в виде наземной факельной установки сжигания попутного нефтяного газа. Компрессор оснащен электроприводом, турбина со стороны выхода сообщена с окружающей средой с помощью автономной трубы, а наземная факельная установка со стороны подвода попутного нефтяного газа выполнена с устройством забора атмосферного воздуха.

Совмещенная компоновка выхлопной трубы и камеры сгорания и выполнение их в виде наземной факельной установки сжигания попутного нефтяного газа с конструктивным исполнением, обеспечивающим соответствующие требования, изложенные в нормативно-технической документации, позволяет

- обеспечить безопасность, повысить экономичность процесса и экологию окружающей среды;

- осуществить нагрев рабочего тела турбины в теплообменном аппарате до требуемой температуры, что обеспечивает высокую равномерность температурного поля рабочего тела (чистого воздуха) перед сопловым аппаратом турбины;

- организовать процесс горения попутного нефтяного газа с низким давлением (менее 0,1 МПа) и без специальной подготовки, что упрощает технологию, снижает трудоемкость и обеспечивает меньшие вредные выбросы.

Соединение полости после турбины с окружающей средой через полость наземной факельной установки, в том числе, повышает мощностные характеристики ГТУ, так как наземные факельные установки выполняются с инжекционными свойствами по проточному тракту, что обеспечивает более высокую степень расширения рабочего тела на турбине, а следовательно, большую ее мощность.

Выполнение компрессора с другим приводом, а именно с электроприводом, и соединение полости после турбины с окружающей средой отдельной трубой актуально при выработке электроэнергии нескольких десятков кВт и при низких степенях сжатия компрессора (порядка 2). Данное техническое решение значительно упрощает конструкцию установки, но будет иметь место ограничение по максимальной величине мощности, так как турбина электрогенератора должна вырабатывать в электрогенераторе еще мощность, необходимую для привода компрессора электродвигателем.

Предлагаемая газотурбинная установка изображена схематично на чертежах фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена газотурбинная установка по предложенному техническому решению.

На фиг.2 схематично представлен фрагмент установки для варианта компрессора с электроприводом.

Газотурбинная установка содержит воздушный компрессор 1, турбину 2, электрогенератор 3 и устройство 4 для подогрева воздуха после компрессора (см. фиг.1). В свою очередь, устройство 4 включает в себя теплообменный аппарат-регенератор 5, который установлен в выхлопной трубе 6, и камеру сгорания 7, выполненную совместно с трубой 6 в виде наземной факельной установки сжигания попутного газа. Компрессор подключается к турбине 2 (см. фиг.1) или к электродвигателю 8 (см. фиг.2). Электрогенератор в обоих случаях подключен к турбине 2. Выходная полость после компрессора 1 сообщена с теплообменным аппаратом-регенератором 5 с помощью трубопровода 9, а выход из теплообменного аппарата сообщен с полостью турбины 2 с помощью трубопровода 10. Полость после турбины 2 сообщается с полостью наземной факельной установки с помощью трубопровода 11 или с окружающей средой через автономную трубу 12 (см. фиг.2). В последнем случае наземная факельная установка выполнена с устройством 13 забора атмосферного воздуха.

Газотурбинная установка работает следующим образом.

С помощью пневмо- или электростартеров (на фиг.1 не показаны), а для варианта, приведенного на фиг.2, с помощью электродвигателя 8 производится раскрутка компрессора. Воздух после компрессора поступает в теплообменный аппарат-регенератор 5 и на турбину 2, которая приводит во вращение электрогенератор. При определенной величине давления после компрессора подается попутный нефтяной газ в наземную факельную установку, где организовывается его сжигание. Образовавшееся тепло нагревает в теплообменном аппарате воздух, который с необходимой температурой поступает на турбину для увеличения ее мощности. При величине мощности турбины, превышающей потребляемую мощность компрессора, предварительная раскрутка ротора прекращается и ГТУ выходит на режим, обеспечивающий необходимую частоту и напряжение тока электрогенератора. Вырабатываемая электроэнергия расходуется на собственные нужды месторождения и направляется различным потребителям.

Оценочные расчеты с использованием фактических объемов постоянных выбросов ПНГ на различных месторождениях и исходных данных ГТУ типа ГТ-750-6 (мощностью 6 МВт) и ГТК-10-4 (мощностью 10 МВт) показывают, что с помощью указанных ГТУ и предложенного технического решения можно переработать в электроэнергию небольшую часть от общего объема сбрасываемого ПНГ на месторождениях, но при этом сэкономить потребление природного газа от 20 до 30 млн нм³/год, что с точки зрения экономической эффективности очень актуально. С другой стороны, ничто не мешает для реализации данного проекта применить более мощные ГТУ или осуществить их модернизацию в большем количестве на одном месторождении.

Предложенное устройство для переработки попутного нефтяного газа в электроэнергию позволяет упростить технологию его использования, так как организовано сжигание ПНГ при низком давлении (после последней ступени сепарации) и без специальной очистки. Более того, сжигание ПНГ в наземной факельной установке с активной подачей воздуха позволяет улучшить процесс горения, а следовательно, уменьшить вредные выбросы NOx и СО.

1. Газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного газа в электроэнергию, содержащая воздушный компрессор, турбину, камеру сгорания, электрогенератор и устройство подогрева воздуха после компрессора, включающее в себя теплообменный аппарат-регенератор, расположенный в выхлопной трубе, отличающаяся тем, что камера сгорания с выхлопной трубой выполнена в виде наземной факельной установки сжигания попутного нефтяного газа.

2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что компрессор оснащен электроприводом, турбина со стороны выхода сообщена с окружающей средой с помощью автономной трубы, а наземная факельная установка со стороны подвода попутного нефтяного газа выполнена с устройством забора атмосферного воздуха.