устройство для получения и нагнетания под давлением инертных по отношению к углеводородной среде газов в составе газожидкостных смесей

Формула изобретения

1. Устройство для получения и нагнетания под давлением инертных по отношению к углеводородной среде газов в составе газожидкостных смесей, содержащее газовую турбину, являющуюся приводом устройства или его части, компрессор, мультифазный газобустерный насос с оборудованием, необходимым для обеспечения его работы, две камеры сгорания со смесительными элементами, соединительные магистрали и трансмиссию, передающую движение от турбины исполнительным механизмам, входящим в состав устройства, при этом первая камера сгорания сообщена с одной стороны с воздушным выходом компрессора, и с линией подачи топлива, а с другой - с турбиной, вторая камера сгорания сообщена с мультифазным газобустерным насосом и далее с потребителем инертных газов, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено теплообменным аппаратом, имеющим как минимум два контура, при этом один из контуров включен в разрыв линии между компрессором и первой камерой сгорания, а другой - в разрыв линии между выходом второй камеры сгорания и мультифазным газобустерным насосом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вторая камера сгорания сообщена своим входом с компрессором.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено вторым компрессором, а вход второй камеры сгорания сообщен с ним.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к отраслям промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и вследствие этого в ходе выполнения технологических операций и аварийных ситуациях требуется приготовление и нагнетание (в том числе под большим давлением) инертных (нейтральных в углеводородной среде, не содержащих кислород) газов или газожидкостных смесей. Изобретение может быть использовано, в том числе в химической, нефтехимической, нефтегазовой и угольной промышленностях при технологических операциях для заполнения и продувки полостей нейтральным (инертным) газом, поддержания пластового давления, испытания обсадных колонн и магистральных трубопроводов, разупрочнения угольных пластов и т.п.

В мировой нефтегазовой промышленности более тридцати лет применяются инертные в углеводородной среде (далее по тексту - инертные) газовые и на их основе газожидкостные смеси, т.е. смеси, в которых кислорода содержится не более 12%. В качестве инертных газовых смесей преимущественно используются смеси на основе азота, но в последнее время стало развиваться альтернативное направление - связывание кислорода воздуха путем выжигания последнего в топливовоздушной смеси. Среди альтернативного направления большинство занимают разработки оборудования, в которых в качестве инертных газов используется азотосодержащая смесь выхлопных газов приводного дизель-мотора. Но есть ряд технических решений, в которых в качестве привода используются газовые турбины.

Известны технические решения по изобретениям RU 2138662 С1 за 1998 г. «Способ получения нейтрального газа с помощью газовой турбины и устройство для его осуществления» и RU 2315877 С2 за 2005 г. «Способ получения нейтральных в углеводородной среде газожидкостных сред высокого давления с помощью газовой турбины и устройство его осуществления», последний принят за прототип.

В изобретении по патенту RU 2138662 С1 «продукты сгорания до турбины образуют с избытком кислорода. Поток разделяют на две части, одну из которых направляют на турбину для совершения необходимой работы. В другую подают топливо для образования процесса горения в стехиометрическом соотношении, при котором кислорода остается менее 1%, затем эту часть потока охлаждают через теплообменный аппарат, например, водой и направляют к потребителю».

К недостаткам данного технического решения (патент RU 2138662) следует отнести:

1. Огромное количество тепловой энергии, выделяемой при «дожиге» продуктов сгорания и образовании инертного газа. Утилизация этого тепла требует затрат энергии и наличия сложной системы охлаждения.

2. Низкое развиваемое давление инертного газа, ограниченное давлением турбокомпрессора, нагнетающего воздух в камеру сгорания газовой турбины, и тепловой прочностью элементов камер сгорания.

В изобретении по патенту RU 2315877 С2 увеличено давление на выходе установки за счет добавления в качестве дожимающего устройства - мультифазного газобустерного насоса, приводимого в действие той же газовой турбиной, но сохранилась необходимость утилизации тепла, выделяемого при образовании инертного газа.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание устройства для получения и нагнетания под давлением инертных (содержащих безопасное по отношению к углеводородной среде процентное количество кислорода) газов в составе газожидкостных смесей, обеспечивающего максимально возможную энергетическую эффективность и улучшение экологических условий на месте работы устройства.

Подобная задача может быть решена в устройстве, использующем тепло, выделившееся при генерировании инертных газов путем сжигания топлива, в рабочем цикле газотурбинной установки для формирования рабочего тела газовой турбины (предварительного подогрева воздуха турбины).

Для решения поставленной задачи предлагается устройство, содержащее газовую турбину, являющуюся приводом устройства, системы запуска и регулирования, как минимум один компрессор, мультифазный газобустерный насос с оборудованием, необходимым для обеспечения его работы, 2 камеры сгорания со смесительными элементами, соединительные магистрали и трансмиссию, передающую движение от турбины исполнительным механизмам, входящим в состав устройства. Первая камера сгорания сообщена с одной стороны с воздушным выходом компрессора и линией подачи топлива, а с другой - с турбиной. В случае использования в качестве привода серийного газотурбинного двигателя (далее по тексту ГТД) в качестве вышеозначенной цепочки элементов могут быть использованы элементы, входящие в состав ГТД. Вторая камера сгорания сообщена с одной стороны с выходом компрессора и линией подачи топлива, а с другой - с мультифазным газобустерным насосом и далее с потребителем инертных газов.

Дополнительно устройство включает в себя теплообменный аппарат, имеющий как минимум два контура. При этом имеется контур теплообменного аппарата, включенный в разрыв линии между компрессором и первой камерой сгорания, и контур теплообменного аппарата, сообщенный своим входом с выходом второй камеры сгорания, а выходом - с потребителем охлажденных инертных газов, например с мультифазным газобустерным насосом.

В устройстве возможно применение схемы - когда обе камеры сгорания параллельно сообщены своими входами с выходом одного компрессора.

В устройстве возможно применение схемы - когда каждая из камер сгорания сообщена входом с выходом своего компрессора.

Возможно также применение комбинированной схемы. В этом случае первый компрессор соединен выходом с входом первой камеры сгорания, формирующей рабочее тело газовой турбины, и, параллельно, с входом второго компрессора, нагнетающего воздух во вторую камеру сгорания.

Выше было описано моноблочное исполнение устройства. Но возможно модульное его исполнение. В случае модульного устройства (например, в мобильном (самоходном) варианте устройства) устройство может состоять из 2 модулей, которые будут соединяться для работы уже непосредственно на месте.

Первый модуль (газотурбинная компрессорная установка) будет включать в себя газовую турбину с необходимым для ее работы оборудованием (или ГТД); компрессор (компрессоры); системы запуска и регулирования, 2 камеры сгорания со смесительными элементами; соединительные магистрали, трансмиссию, теплообменный аппарат, подключенный по описанному выше принципу.

Второй модуль (газобустерная насосная установка) будет включать в себя газобустерный мультифазный насос с механизмами, необходимыми для его работы (напр., подпорный насос), приводной двигатель, трансмиссию для передачи движения от выходного вала двигателя к газобустерному насосу, при необходимости сепаратор, систему подготовки газов, соединительные трубопроводы и т.д.

В некоторых случаях возможна работа только одного из модулей. Например - если по условиям работы давление инертных газов не будет превышать максимально возможного давления на выходе второго контура теплообменного аппарата.

Для достижения максимально возможной энергетической эффективности тепло, содержащееся в выходящем из турбины газе, можно использовать для увеличения температуры воздуха (и улучшения тем самым условий горения), направляемого в камеру сгорания для генерации инертных газов либо вместе с теплом, отбираемым от генератора инертных газов, использоваться в подготовке рабочего тела турбины.

На фиг.1, 2 и 3 представлены варианты принципиальных схем, в которых реализуется заявляемое устройство, где

1 - газовая турбина;

2 и 2а - компрессоры;

3 и 5 - камеры сгорания со смесительными элементами;

4 - мультифазный газобустерный насос;

6 - теплообменный аппарат;

7 и 8 - линии подачи топлива;

9, 10, 11, 12, 13 и 14 - магистрали;

15 - трансмиссия;

16 - система окончательной подготовки инертного газа.

В моноблочном исполнении устройства с использованием привода от свободной газовой турбины 1 последняя является приводом мультифазного газобустерного насоса 4 и в случае исполнения кинематических схем фиг.1, 3 также компрессора 2а, при этом компрессор 2 имеет собственный привод (на схемах не показан). В случае использования в схеме в качестве привода одновальной газотурбинной установки турбина 1 и компрессор 2 расположены на одном валу. В случае модульной конструкции мультифазный газобустерный насос 4 может иметь отдельный привод. Кинематическая связь между газовой турбиной 1 и компрессором 2а и мультифазным газобустерным насосом 4 осуществляется посредствам трансмиссии 15. Камера сгорания 3 предназначена для генерации рабочего тела газовой турбины 1. Камера сгорания 3 сообщена с одной стороны с компрессором 2 магистралью, состоящей из последовательных участков 9 и 10, и с системой регулирования подачи топлива (не показано) магистралью 7, с другой стороны камера сгорания 3 сообщена с входным коллектором турбины 1 - магистралью 11.

Камера сгорания 5 предназначена для генерации инертного газа. По схеме фиг.1 камера сгорания 5 сообщена с одной стороны с компрессором 2а магистралью 12, и с системой регулирования подачи топлива, снабженной устройством обеспечения стехиометрического соотношения топлива и воздуха (не показано) магистралью 8, с другой стороны камера сгорания 5 сообщена с газовым входом мультифазного газобустерного насоса 4 - магистралью 13. По схеме фиг.2 камера сгорания 5 сообщена с одной стороны с компрессором 2 магистралью, состоящей из последовательных участков 9 и 12, и с системой регулирования подачи топлива, снабженной устройством обеспечения стехиометрического соотношения топлива и воздуха (не показано) магистралью 8, с другой стороны камера сгорания 5 сообщена с газовым входом мультифазного газобустерного насоса 4 - магистралью 13. По схеме фиг.3 камера сгорания 5 сообщена с одной стороны с компрессором 2 магистралью, состоящей из последовательных участков 9 и 12, и с системой регулирования подачи топлива, снабженной устройством обеспечения стехиометрического соотношения топлива и воздуха (не показано) магистралью 8, при этом в разрыв магистрали между участками 9 и 12 установлен компрессор 2а, сообщенный своим газовым входом с выходом компрессора 2, а выходом с входом камеры сгорания 5, с другой стороны камера сгорания 5 сообщена с газовым входом мультифазного газобустерного насоса 4 - магистралью 13.

Теплообменный аппарат 6, подключенный одним контуром в разрыв магистрали 13 между камерой сгорания 5 и газовым входом мультифазного газобустерного насоса 4, данный контур предназначен для охлаждения потока инертного газа. Второй контур теплообменного аппарата 6 подключен в разрыв магистрали между компрессором 2 и камерой сгорания 3 (между магистралями 9 и 10), данный контур предназначен для подогрева потока воздуха, направляемого в камеру сгорания 3.

Мультифазный газобустерный насос 4 газовым входом через магистраль 13 соединен с камерой сгорания 5, жидкостным входом через магистраль 14 соединен с источником подпорной жидкости. Выход мультифазного газобустерного насоса 4 связан с потребителем инертной газожидкостной смеси.

По ходу магистрали 13 может быть установлена система окончательной подготовки инертного газа 16. Основной задачей системы окончательной подготовки газов 16 является охлаждение газов, поступающих в мультифазный газобустерный насос до температуры оптимальной для обеспечения максимальной приемистости последнего. Охлаждение может осуществляться как за счет дополнительного теплообменника-утилизатора, так и за счет контакта горячих выхлопных газов с водой (впрыск воды). Возможна и комбинация этих методов. В зависимости от технологических требований в систему окончательной подготовки могут входить и другие элементы (например, скруббер).

Для обеспечения максимально эффективного использования тепловой энергии, полученной в процессе работы устройства, возможна комбинированная система подогрева воздуха перед камерой сгорания 3. Одновременный подогрев за счет тепловой энергии, полученной в результате выжигания кислорода из воздуха при получении инертного газа в камере сгорания 5 и отбора остатков тепловой энергии из отработанных (выхлопных) газов газовой турбины. Возможен вариант полезного использования остатков тепловой энергии из отработанных (выхлопных) газов газовой турбины для подогрева воздуха на входе в камеру сгорания 5. Либо сочетание этих вариантов использования остаточной тепловой энергии выхлопных газов газовой турбины 1.

Устройство работает следующим образом.

В случае исполнения по кинематической схеме фиг.1 компрессор 2а производит нагнетание воздуха с заданным избыточным давлением, равным давлению на приеме мультифазного газобустерного насоса 4 (без учета потерь давления на сопротивление) по магистрали 12 в камеру сгорания 5. Согласно кинематической схеме фиг.2 нагнетание воздуха при тех же условиях в камеру сгорания 5 осуществляет компрессор 2. Согласно кинематической схеме фиг.3 нагнетание воздуха при тех же условиях в камеру сгорания 5 осуществляется последовательно компрессорами 2 и 2а. В ту же камеру сгорания 5 по магистрали 8 через устройство регулирования стехиометрического соотношения топлива и воздуха (на схеме не показано) подается топливо. В камере с помощью смесительных элементов (на схеме не показаны) происходит их перемешивание. После этого системами розжига (на схеме не показано) топливо поджигается и происходит его сгорание. Сжигание топлива может осуществляться также и беспламенным способом (в среде катализатора). Горячие инертные газы поступают в теплообменный аппарат 6, где выделившаяся при сгорании топливовоздушной смеси тепловая энергия через герметичную теплопроводную стенку передается рабочему телу приводного двигателя. За счет такой передачи тепла происходит охлаждение продуктов горения (инертных газов). После этого охлажденные инертные газы по магистрали 13 направляются в газовый вход мультифазного газобустерного насоса 4.

В магистрали 13 между теплообменным аппаратом 6 и мультифазным газобустерным насосом 4 может находиться система окончательной подготовки газов 16. В этом узле температура инертных газов доводится до температуры, оптимальной для обеспечения максимальной приемистости газобустерного насоса 4.

Подготовка рабочего тела газовой турбины 1 в установке происходит следующим образом:

Компрессор 2 производит нагнетание воздуха по магистрали, состоящей из последовательных участков 9 и 12, в камеру сгорания 3 через теплообменный аппарат 6. Горячие продукты горения, образовавшиеся при получении инертных газов, поступают в теплообменный аппарат 6, являющийся по своей сути первым генератором рабочего тела газовой турбины 1, где передают тепловую энергию, выделяемую при горении топливовоздушной смеси, воздуху, нагнетаемому компрессором 2 в камеру сгорания 3 через герметичную теплопроводную стенку. При этом холодный воздух по магистрали 9 поступает в теплообменный аппарат 6, а нагретый воздух (предварительно подготовленное рабочее тело) по магистрали 10 забирается из вышеозначенного теплообменного аппарата 6. Далее нагретый воздух (нагретое рабочее тело) поступает в камеру сгорания 3, где его внутренняя тепловая мощность доводится до потребительских характеристик, необходимых для обеспечения работоспособности устройства. По магистрали 11 окончательно нагретое рабочее тело подается на лопатки газовой турбины 1, где внутренняя тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Отработавшее рабочее тело выбрасывается в атмосферу либо для обеспечения максимально эффективного использования тепловой энергии, полученной в процессе работы устройства, направляется в рекуперативный теплообменный аппарат (на схеме не показан), где используется в подготовке рабочего тела газовой турбины 1.

Передача механической энергии от газовой турбины 1 к комплексу оборудования, входящего в состав устройства, осуществляется при помощи трансмиссии 15. В качестве трансмиссии может выступать механическая, электрическая, гидрообъемная или какая-либо другая известная из уровней техники передача или их комбинации.

Предлагаемые варианты устройств объединяет назначение теплообменного аппарата, включенного в предлагаемые схемы, и единый принцип работы ключевых узлов устройства, что удовлетворяет требованию «Единство изобретения».

Сравнение предлагаемого устройства с известными позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «Новизна», т.к. в предложенном устройстве появляется возможность полезного использования тепловой энергии, выделяющейся при генерации инертного газа.

Применение подобного устройства позволяет значительно увеличить энергетическую эффективность и улучшение экологических условий на месте работы устройства для получения и нагнетания под давлением инертных (содержащих безопасное по отношению к углеводородной среде процентное количество кислорода) газов в составе газожидкостных смесей. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «Изобретательский уровень».

Возможность осуществления предлагаемого изобретения доказывается отечественной и зарубежной практикой использования в газонефтедобывающей промышленности способов приготовления и нагнетания инертных газовых смесей, реализованных в ряде специализированных установок.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого способа, могут быть реализованы с помощью средств, используемых в различных областях техники (тепловые двигатели, напорные трубопроводы, компрессоры, теплообменные аппараты и т.д.).