В настоящий момент попутный нефтяной газ нецелесообразно сжигать как с экологической, так и с экономической точки зрения. Поэтому его используют на газопоршневых электростанциях. В данной статье автор пытается определить оптимальные условия первой ступени сепарации попутного нефтяного газа.
Ключевые слова: утилизация, газопоршень, газовый двигатель.
Современные тенденции перехода к автономному энергообеспечению способствуют развитию технологических разработок электростанций с двигателями, работающими на ПНГ и газе: газопоршневыми, газотурбинными, микротурбинными, парогазовыми.
Газопоршневой двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючей смеси в камере сгорания, использующий в качестве топлива газ и работающий по циклу Отто. Энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в газопоршневом двигателе производит механическую работу вала, используемую для выработки электроэнергии генератором электрического тока.
В России на месторождениях используют газопоршневые установки (ГПУ) фирм Caterpiller, Cummins, Jenbacher, Wartsila, Waukesha, FG Wilson.
Главной характеристикой топливного газа, который будет поступать на ГПЭС является метановое число газа, характеризующее его детонационную стойкость. Метод определения метанового числа основан на сравнении детонационной стойкости неизвестного газообразного топлива и эталонного газообразного топлива. Это достигается сравнением детонационных характеристик неизвестной газовой смеси с детонационными свойствами смеси двух эталонных газов (метана и водорода). Процент метана в эталонной смеси является метановым числом неизвестного газа.
Величина метанового числа имеет нижний предел, ниже которого при эксплуатации ГПЭС не обеспечивается требуемая мощность [1,2].
На основании данных, представленных в таблице 1, были проведены расчеты метанового числа и низшей теплоты сгорания для газа, отделяемого на первой ступени сепарации УПН ЦППН Вынгапуровского месторождения и направляемого на питание ГПЭС. Расчеты выполнены в программе «AVL Methane Calculator» фирмы «Cummins». Результаты представлены в таблицах 1–3, а также на рисунке 1. [3]
Таблица 1
Результаты расчета метанового числа инизшей теплоты сгорания для газа, отделяемого на первой ступени сепарации
|
Компоненты |
Вынгапуровское |
Р=0,8 МПа Т=20⁰С |
Р=0,8МПа Т=25⁰С |
Р=0,8 МПа Т=30 ⁰С |
Р=0,8 МПа Т=35⁰С |
Р=0,8 МПа Т=40⁰С |
|
N2 |
0,04 |
0,0085 |
0,0083 |
0,0081 |
0,0078 |
0,0076 |
|
СО2 |
0,34 |
0,0010 |
0,0010 |
0,0009 |
0,0009 |
0,0009 |
|
CH4 |
27,75 |
0,6761 |
0,6594 |
0,6424 |
0,6249 |
0,6070 |
|
C2H6 |
6,8 |
0,1302 |
0,1301 |
0,1296 |
0,1287 |
0,1274 |
|
C3H8 |
11,82 |
0,1200 |
0,1282 |
0,1360 |
0,1434 |
0,1502 |
|
и — C4H10 |
3,14 |
0,0192 |
0,0212 |
0,0232 |
0,0252 |
0,0273 |
|
н — C4H10 |
5,71 |
0,0266 |
0,0297 |
0,0330 |
0,0366 |
0,0403 |
|
и — C5H12 |
2,27 |
0,0033 |
0,0039 |
0,0045 |
0,0053 |
0,0061 |
|
н — C5H12 |
2,57 |
0,0028 |
0,0033 |
0,0039 |
0,0046 |
0,0054 |
|
С6+ |
39,56 |
0,0127 |
0,0155 |
0,0189 |
0,0231 |
0,0283 |
|
Молекулярная масса |
91 |
24,53 |
25,22 |
25,96 |
26,76 |
27,63 |
|
Плотность |
817,4 |
N'= 38,943 |
N'= 40,11 |
N'=41,36 |
N'=42,689 |
N'=44,12 |
|
Метановое число |
- |
49,20 |
47,90 |
46,6 |
45,1 |
43,6 |
|
Газовый фактор |
200 |
0,0647 |
0,0736 |
0,0836 |
0,0948 |
0,1075 |
Газовые двигатели в зависимости от состава газа, и соответственно метанового числа газа, производятся в различных исполнениях, отличающихся степенью сжатия. При эксплуатации двигателей с выбранной степенью сжатия, и изменении метанового индекса в пределах выше требуемых значений, происходит автоматическая подстройка параметров установки, что обеспечивает номинальную мощность установки. Двигатели могут работать на газе с низким метановым числом (снижение номинальной мощности незначительно, что после перенастройки дает возможность эксплуатировать ГПЭС).
Таблица 2
Результаты расчета метанового числа инизшей теплоты сгорания для газа, отделяемого на первой ступени сепарации
|
Компоненты |
Вынгапуровское |
Р=0,7 МПа Т=20⁰С |
Р=0,7 МПа Т=25⁰С |
Р=0,7МПа Т=30⁰С |
Р=0,7МПа Т=35⁰С |
Р=0,7МПа Т=40⁰С |
|
N2 |
0,04 |
0,0082 |
0,0080 |
0,0078 |
0,0076 |
0,0073 |
|
СО2 |
0,34 |
0,0009 |
0,0009 |
0,0009 |
0,0009 |
0,0009 |
|
CH4 |
27,75 |
0,6571 |
0,6403 |
0,6232 |
0,6057 |
0,5879 |
|
C2H6 |
6,8 |
0,1313 |
0,1307 |
0,1297 |
0,1284 |
0,1267 |
|
C3H8 |
11,82 |
0,1295 |
0,1373 |
0,1446 |
0,1513 |
0,1572 |
|
и — C4H10 |
3,14 |
0,0214 |
0,0234 |
0,0255 |
0,0276 |
0,0297 |
|
н — C4H10 |
5,71 |
0,0300 |
0,0333 |
0,0369 |
0,0406 |
0,0444 |
|
и — C5H12 |
2,27 |
0,0038 |
0,0045 |
0,0052 |
0,0061 |
0,0070 |
|
н — C5H12 |
2,57 |
0,0032 |
0,0038 |
0,0045 |
0,0053 |
0,0063 |
|
С6+ |
39,56 |
0,0149 |
0,0181 |
0,0222 |
0,0271 |
0,0331 |
|
Молекулярная масса |
91 |
25,24 |
25,97 |
26,76 |
27,61 |
28,52 |
|
Плотность |
817,4 |
N'=40,44 |
N'= 41,658 |
N'= 42,959 |
N'= 44,35 |
N'= 45,841 |
|
Метановое число |
- |
47,9 |
46,2 |
45,1 |
43,6 |
42,1 |
|
Газовый фактор |
200 |
0,0734 |
0,0832 |
0,0943 |
0,1067 |
0,1205 |
Таблица 3
Результаты расчета метанового числа инизшей теплоты сгорания для газа, отделяемого на первой ступени сепарации
|
Компоненты |
Вынгапуровское |
Р=0,6 Т=20 |
Р=0,6 Т=25 |
Р=0,6 Т=30 |
Р=0,6 Т=35 |
Р=0,6 Т=40 |
|
N2 |
0,04 |
0,0079 |
0,0077 |
0,0075 |
0,0073 |
0,0070 |
|
СО2 |
0,34 |
0,0009 |
0,0009 |
0,0009 |
0,0008 |
0,0008 |
|
CH4 |
27,75 |
0,6355 |
0,6187 |
0,6017 |
0,5844 |
0,5667 |
|
C2H6 |
6,8 |
0,1318 |
0,1306 |
0,1291 |
0,1273 |
0,1252 |
|
C3H8 |
11,82 |
0,1400 |
0,1471 |
0,1536 |
0,1593 |
0,1640 |
|
и — C4H10 |
3,14 |
0,0241 |
0,0261 |
0,0282 |
0,0303 |
0,0322 |
|
н — C4H10 |
5,71 |
0,0342 |
0,0378 |
0,0415 |
0,0453 |
0,0492 |
|
и — C5H12 |
2,27 |
0,0045 |
0,0053 |
0,0061 |
0,0071 |
0,0082 |
|
н — C5H12 |
2,57 |
0,0039 |
0,0045 |
0,0053 |
0,0063 |
0,0074 |
|
С6+ |
39,56 |
0,0178 |
0,0217 |
0,0266 |
0,0325 |
0,0397 |
|
Молекулярная масса |
91 |
26,10 |
26,88 |
27,71 |
28,61 |
29,59 |
|
Плотность |
817,4 |
N'=42,174 |
N'=43,454 |
N'= 44,818 |
N'= 46,278 |
N'= 47,846 |
|
Метановое число |
- |
46,4 |
45,0 |
43,5 |
41,9 |
40,5 |
|
Газовый фактор |
200 |
0,0844 |
0,0955 |
0,1077 |
0,1215 |
0,1367 |
При эксплуатации двигателей с выбранной степенью сжатия, и изменении метанового индекса в пределах выше требуемых значений, происходит автоматическая подстройка параметров установки, что обеспечивает номинальную мощность установки. Двигатели могут работать на газе с низким метановым числом (снижение номинальной мощности незначительно, что после перенастройки дает возможность эксплуатировать ГПЭС).
Рис. 1. Зависимость метанового числа первой ступени сепарации Вынгапуровского месторождения от температур для давления
Минимальная (критическая) величина метанового числа (РМЧ), которая допустима для эксплуатации энергомашин составляет 52.
Такая величина согласно расчетам обеспечивается:
– при давлении 0,8 МПа и температуре сепарации 20–40°С;
– при давлении 0,7 МПа и температуре сепарации 20–40°С;
– при давлении 0,6 МПа и температуре сепарации 20–40°С.
Для гарантированного обеспечения работоспособности ГПЭС необходимо установить диапазон давлений и температур, при которых метановое число будет поддерживаться на уровне 54–56. Температура находится в обратно пропорциональной зависимости от метанового числа, то есть с увеличением температуры метановое число уменьшается.
Литература:
- Тарасов М. Ю., Иванов С. С. Подготовка нефтяного газа для питания газо-поршневых электростанций//Нефтяное хозяйство. — 2009. — № 2. — C. 46–49.
- Иванов С. С., Тарасов. М. Ю. Требования к подготовке растворенного газа для питания газопоршневых двигателей // Нефтяное хозяйство. — 2011. — № 1. — С. 102–105.
