УТИЛИЗАЦИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА С ПОМОЩЬЮ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Аннотация: В данной работе рассмотрен принцип утилизации попутного нефтяного газа с помощью газотурбинной установки, представлено устройство и схема газотурбинной установки, а также технологический процесс добычи попутного газа.

Ключевые слова: Попутный нефтяной газ, газотурбинная установка, газотурбинная электростанция, компрессор, камера сгорания, газовая турбина.

Современные технологии утилизации попутного газа предоставляют возможность полностью использовать попутный нефтяной газ на месторождениях, получать дополнительную электроэнергию, тепло и углеводородные газомоторные топлива, прежде всего, сжиженный углеводородный газ.

Учитывая актуальность проблем энергосбережения, экономии ресурсов, повышения энергоэффективности, ОАО «Сургутнефтегаз» одним из первых в отрасли приступил к реализации программы развития малой энергетики на основе строительства газотурбинных и газопоршневых электростанций. В настоящее время ОАО «Сургутнефтегаз»  является самым крупным в Западной и Восточной Сибири производителем электрической энергии среди нефтяных компаний. Ещё в 1999 г. стартовала программа развития малой энергетики, позволившая решить ряд задач,  важнейшие из которых - сокращение потерь попутного нефтяного газа и повышение уровня его утилизации, снижение объёмов сжигания ПНГ на факелах, уменьшение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, в том числе парниковых газов, получение электроэнергии непосредственно на действующих месторождениях и снижение энергопотребления в отрасли.

Газ является самым экологичным топливом в силу образования наименьшего количества токсичных веществ, выбрасываемых в  атмосферу при сжигании топлива. Использование современного оборудования газотурбинной электростанции (ГТЭС) в настоящее время позволяет получать электроэнергию практически безвредным для атмосферы способом. Положительный опыт строительства и эксплуатации электростанций, работающих на попутном нефтяном газе в ОАО «Сургутнефтегаз», высоко оценён Министерством природных ресурсов и экологии РФ - признан лучшим экологическим проектом в сфере природоохранных технологий. В День России Президент РФ вручил в Кремле государственные премии 2016 года за выдающиеся достижения в области науки и технологий, нефтяникам ОАО «Сургутнефтегаз. Государственная премия в области науки и техники присуждена им с формулировкой «За создание рациональных систем разработки нефтяных, нефтегазовых и газонефтяных месторождений Западной Сибири». Лауреаты премии подтвердили лабораторными исследованиями и промышленной практикой «рациональные принципы разработки нефтегазовых месторождений Западной и Восточной Сибири». На данный момент в компании эксплуатируются 19 ГТЭС. Более 35% от потребляемой объектами общества электроэнергии вырабатывается собственными генерирующими мощностями. Суммарная установленная мощность 64 энергоблоков газотурбинных электростанций компании составляет 631 МВт. С начала работы ГТЭС в «Сургутнефтегазе» выработано уже более 20 млрд кВтч электроэнергии[4].

Возможны два направления утилизации попутного газа - энергетическое и нефтехимическое:

1.        Нефтехимическое. Утилизация попутного нефтяного газа может быть проведена с получением сухого газа, подаваемого в систему магистральных трубопроводов, газового бензина, широкой фракции легких углеводородов и сжиженного газа для бытовых нужд. При таком использовании из попутного газа можно создавать разнообразные продукты нефтехимии, такие как каучуки, пластмассы, компоненты высокооктановых бензинов.

2.        Энергетическое производство имеет очень широкий спектр применения, чаще он применятся на промыслах. ПНГ является высококалорийным, экономичным и экологически чистым видом топлива. Поэтому использование ПГ для выработки электроэнергии при добыче полезных ископаемых является рациональным методом его эксплуатации.

Газотурбинная электростанция (ГТЭС) представляет собой сложный комплекс силовых агрегатов, генерирующих электричество и тепловую энергию. В качестве основного привода электрогенератора используется газовая турбина, которая приводится в действие газовоздушной смесью, подаваемой под высоким давлением. При этом вырабатывается не только электричество, но и тепловая энергия, что является выгодным экономичным моментом. Современная ГТЭС является высокотехнологичным сооружением для выработки и подачи электричества. Система распределения и фильтрации газа (природного и попутного) позволяет свести к минимуму поломку ответственных деталей и узлов. Автоматика и электроника позволяют персоналу станции эффективно контролировать все процессы, происходящие как в самом генераторе, так и во всех вспомогательных сооружениях[2].

С технической точки зрения добыча нефтяного газа - это совокупность технологических процессов, обеспечивающих его использование в народном хозяйстве. Источником добычи нефти и нефтяного газа служит нефтяная залежь (естественное скопление нефти в недрах Земли). Совокупность залежей нефти, расположенных на одном участке земной поверхности, представляет собой нефтяное месторождение.

Попутный нефтяной газ (ПНГ) – углеводородный газ, находящийся в нефтяных залежах в растворенном состоянии и выделяющийся из нефти при снижении давления. Количество газов в м3 , приходящееся на 1 т добытой нефти, зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может составлять от 12 до нескольких тыс. м3. Основными составляющими ПНГ являются предельные углеводороды – гомологи метана от СН4 до С6Н14[1].

В настоящее время для покрытия потребности в электроэнергии при добыче нефти на месторождениях в отдаленных от центров энергоснабжения районах начали применять газотурбинные установки, с помощью которых решают проблемы как энергоснабжения, так и утилизации попутного нефтяного газа.

На рисунке 1 показана газотурбинная установка. Компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.

Принцип действия газотурбинной установки можно рассмотреть на схеме представленной на рисунке

2. Атмосферный воздух засасывается в компрессор и сжимается до рабочего давления 4-6,5 бар(кГ/мс2). Затем сжатый воздух направляется в камеру сгорания, где ему сообщается тепло за счет сжигания подводимого в камеру топлива. Продукты сгорания, достигающие в эффективной зоне а камеры сгорания 2 температуры 1800- 20000С, не могут быть использованы в турбине из-за ограниченной жаропрочности и жаростойкости рабочих лопаток турбины. В связи с этим, помимо воздуха, в зону б камеры сгорания через отверстия или щели в в жаровой турбине подводится добавочный воздух, сжимающий температуру продуктов сгорания до 600- 8500С.

Так как в камеру сгорания топливо и воздух попадают непрерывно, то после первоначального воспламенения горючей смеси от постороннего источника тепла процесс горения осуществляется на весь период работы ГТУ. Давление газа перед камерой сгорания и после нее автоматически поддерживается неизменным. Из камеры сгорания газы направляются в газовую турбину, где они расширяются. Процесс расширения сопровождается падением давления и температуры, увеличением скорости и повышением кинетической энергии движущегося потока газа, используемой для вращения ротора турбины. Использованный в турбине газ выходит с пониженной скоростью через выхлопной патрубок в окружающую среду. Полученная на валу турбины механическая работа частично используется на приведение в действие воздушного компрессора 1 и других вспомогательных устройств (регулятор, масляные насосы) и частично передается потребителю 4. Мощность, потребляемая воздушным компрессором, составляет 60-75% мощности, развиваемой газовой турбиной. ГТУ может работать при наличии сжатого воздуха, получаемого от компрессора, приводимого во вращение газовой турбиной, допуск осуществляется от постороннего источника энергии 5                (пускового электродвигателя или турбогенератора)[3].

Современные технологии газоподготовки предоставляют возможность полностью использовать попутный нефтяной газ на месторождениях, получить дополнительную электроэнергию, тепло и углеводородные газомоторные топлива, а также сжиженный углеводородный газ. Использование попутного нефтяного газа возможно и в черной и цветной металлургии, цементной и стекольной промышленности, как сырье для получения органических соединений при синтезе.

Список литературы

1.        Бараз В.И. Добыча нефтяного газа. М., Недра,1983. 252с

2.        Бордюков А.П., Гинзбург-Шик Л.Д. Тепломеханическое оборудование тепловых электростанций.- М.:Энергия, 1978.-272с.,ил.

3.        Газотурбинные установки в нефтяной и газовой промышленности. Могильницкий И.П.., Стешенко В.Н. Изд-во «Недра», М., 1971, стр.160.

4.        Транспортная энергетика: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/ Ю.Г.Котиков, В.Н.Ложкин; под ред.Ю.Г.Котикова.-М.:Издательский центр «Академия», 2006.-272с.

5.      Слагаемые экологичности и энергоэффективности [Электронный ресурс]. -    Режим доступа:http://www.surgutneftegas.ru/press/smi/item/449  (дата   обращения19.06.2017).