ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ
Купить

Актуальность исследования
На сегодняшний день особенно остро стоит вопрос утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ), т.к. сейчас он либо выбрасывается в атмосферу, либо сжигается в горелках, не принося при этом практической пользы. Одним из наиболее рациональных вариантов утилизации влажного неподготовленного ПНГ на малодебитных месторождениях является использование газотурбинных установок (ГТУ) для получения электрической и тепловой энергии. Подобных отечественных установок не существует, поэтому нефтедобывающие компании вынуждены покупать дорогостоящие импортные установки (Capstone, Opra, Flex Energy), предназначенные для получения резервной электрической или тепловой энергии при сжигании метана, пропана или природного газа. Опыт эксплуатации подобных установок на малодебитных месторождениях при утилизации ПНГ показал, что фактический ресурс работы составляет 20 - 25 % от заявленного в паспортных данных (100 тыс. час., капитальный ремонт 60 тыс. час.). Дефектация, фрактографический и рентгеноспектральный анализ детале-сборочных единиц (ДСЕ) установок типа Capstone после их аварийного останова показал, что причиной выхода установки из строя явился помпаж компрессора, вызванный нестационарными режимами работы камеры, возникновением неустойчивости рабочего процесса, несоответствием ПНГ стандартным топливам СН4, С3Н8, для которых предназначены импортные установки. ПНГ имеет различный компонентный состав в зависимости от месторождения. Более того, на одном и том же месторождении состав ПНГ является различным в разные периоды времени.
На некоторых крупных нефтяных месторождениях ПАО "Оренбургнефть" эксплуатируются установки DTG-1,8G OPRA электрической мощностью 1,8 МВт, в которых рабочее тело турбины образуется в результате сжигания топлива с переменным компонентным составом и различной теплотворной способностью. Однако при их эксплуатации на номинальном режиме возникают вибрации, которые являются причиной выхода из строя редуктора в составе турбокомпрессора.
Таким образом, для утилизации разнородных по составу, забалластированных, неосушенных ПНГ необходима разработка специальной камеры сгорания (КС), высокий ресурс работы которой достигается обеспечением гарантийного запаса по устойчивости в реальных условиях эксплуатации.
В данной работе проведены исследования, направленные на разработку универсальной по коэффициенту избытка воздуха в зоне горения КС для отечественной ГТУ блочно-модульного типа мощностью 145 кВт и на этой основе даны практические рекомендации для последующих разработок высокоресурсных утилизационных КС.
Степень разработанности темы исследования
В настоящее время имеется большое количество разработанных и изготовленных ГТУ различных мощностей и назначения со встроенными и выносными КС. Аналогами разрабатываемой утилизационной КС является жаровая труба КС авиационного двигателя и двухзонный газогенератор жидкостных ракетных двигателей с горючим постоянного состава.
На сегодняшний день в технической литературе имеется огромное количество результатов по термохимическим и термодинамическим расчетам горения и концентрационных пределов горения углеводородных топлив в воздухе, однако подобные данные отсутствуют для забалластированных, разнородных по составу ПНГ.
Для выбора оптимальных параметров рабочего процесса в утилизационных КС для ПНГ и других техногенных газов могут быть использованы численные модели турбулентного течения и горения, реализованные в программных комплексах ANSYS и FlowVision. Однако для подробного исследования процессов в зоне горения требуется использование дополнительно разработанной программы.
В мировой практике отсутствуют специально разработанные и изготовленные утилизационные ГТУ для малодебитных нефтяных месторождений.
Цели и задачи
На основе проведенных обзора и анализа проблемы утилизации ПНГ была поставлена цель работы: разработка методики проектирования утилизационной КС в составе ГТУ для малодебитных нефтяных месторождений и выработка рекомендаций по увеличению ресурса их работы.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) проведен анализ причин аварийного останова импортных энергоустановок и выработаны концепции увеличения ресурса работы отечественных утилизационных установок на малодебитных месторождениях;
2) разработана методика проектирования универсальных КС как подсистем утилизационных ГТУ, предназначенных для сжигания разнородных по составу ПНГ;
3) разработана численная модель сжигания ПНГ и проведена ее верификация на основе полученных экспериментальных данных.
Научная новизна
1. Впервые получены теоретические параметры горения (температура, составы, пределы горения) ПНГ сложного состава различных месторождений и проведена их верификация с полученными экспериментальными данными.
2. Предложена методика проектирования универсальных КС для утилизации разнородных нефтяных и техногенных газов сложного состава.
3. Впервые получены результаты численного моделирования турбулентного течения и горения ПНГ сложного состава в объеме универсальной КС.
4. Разработаны рекомендации по организации рабочего процесса в универсальных КС ГТУ для повышения ресурса работы.
Теоретическая и практическая значимость
Результаты термохимических и термодинамических расчетов ПНГ сложного состава различных месторождений позволили выбрать оптимальные параметры рабочего процесса утилизационной КС.
Результаты численного моделирования рабочего процесса и их верификация с полученными экспериментальными данными позволили разработать рекомендации по увеличению ресурса работы утилизационных КС в процессе их эксплуатации на малодебитных месторождениях.
Разработанная экспериментальная установка позволяет исследовать параметры рабочего процесса на различных режимах горения нефтяных и других техногенных газов.
Полученные результаты использованы при разработке конструкторской документации утилизационной КС в составе ГТУ с полезной мощностью 145 кВт (договор с ПАО «Протон-ПМ»), при создании экспериментального огневого стенда в лаборатории испытаний и внедрены в учебный процесс подготовки кадров по направлениям 13.03.03 «Энергетическое машиностроение» и 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей», реализуемым на кафедре «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.
Основные результаты работы вошли в научно - технические отчеты по договорам на создание и передачу научно-технической продукции между ПНИПУ и ПАО «Протон-ПМ»: №2011/45 от 01.03.2011 г.; № 13313/12 от 14.05.2012; №2012/379 от 17.09.2012; №2012/380 (13257/12) от 17.09.2012. Результаты работы содержатся также в отчетах НИР по договору о предоставлении гранта № 2963гу2/2014 от 29.07.2014 г. от фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. В настоящее время ведутся научно-исследовательские работы по гранту РФФИ «Разработка энергоустановки для утилизации нефтяных газов на малодебитных месторождениях с выработкой электрической энергии» в соответствии с договором № 16-48-590072/16 от 16.04.2016г.
Личный вклад автора. Автор непосредственно выполнял все представленные в работе инженерные и численные расчеты, участвовал в обработке, анализе и обобщении полученных расчетных и экспериментальных данных. В результате автором была сформулирована методика проектирования универсальной КС для утилизации ПНГ на малодебитных месторождениях.
Методология и методы исследования
Объектом исследования являются высокоресурсные утилизационные камеры для сжигания нефтяных и других техногенных газов. Для получения геометрического облика и режимных параметров камеры использованы методики, разработанные в подразделениях ФГБОУ ВПО: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ; Московский национальный исследовательский технический университет - МАИ; Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана; Пермский национальный исследовательский политехнический университет - ПНИПУ.
При численном моделировании рабочего процесса использован коммерческий программный комплекс ANSYS Fluent и дополнительно разработанная программа для зоны горения.
В экспериментальных исследованиях процессов горения использовались аттестованные приборы для измерения расходов (ГОСТ Р 50193.3-92), температуры (ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ) и давления (ГОСТ 22520-85) и аттестованные газоанализаторы (ГОСТ 13320-81).
Положения и выводы, выносимые на защиту
1. Анализ составов, пределов горения ПНГ и способы организации устойчивого рабочего процесса в универсальной КС.
2. Методика определения режимных, геометрических и тепловых параметров утилизационных КС как подсистем ГТУ.
3. Результаты теоретического моделирования процессов горения ПНГ и их верификация с экспериментальными данными.
4. Рекомендации по увеличению ресурса работы утилизационной КС при сжигании забалластированных, серо- и конденсатосодержащих нефтяных и других техногенных газов.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректностью постановки задач, использованием современных математических методов и программных комплексов для решения задач турбулентного течения и горения в объеме утилизационной камеры, удовлетворительным соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных, опубликованным расчетным и экспериментальным данным.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «Протон- ПМ» (Пермь, 21-22 ноября 2012);
- научно - техническая конференция «Фундаментальная наука и технологии - перспективы разработки» ( Москва, 22-23 мая 2013г);
- научно-техническая конференция молодых специалистов НПО «ИСКРА» (Пермь, 25.10.2013 г.);
- XIV Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника. Высокие технологии и инновации - 2013» (Пермь, 20-21 ноября 2013 г.);
- VII Всероссийская (с международным участием) научно-техническая интернет-конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (Пермь, 01.11.2013 - 30.11.2013 г.);
- VIII Всероссийская (с международным участием) научно-техническая интернет - конференция «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» » (Пермь, 01.11.2014 - 30.11.2014 г.);
Работа отмечена дипломами:
- диплом 2 степени на открытом конкурсе молодежных инновационных проектов ПНИПУ «Большая разведка» , выдан 24 мая 2012 г.;
- диплом победителя на студенческом региональном конкурсе инновационных проектов У.М.Н.И.К., выдан 29 ноября 2012 г;
- диплом 2 степени на научно-технической конференции молодых специалистов НПО «ИСКРА», выдан 25.10.2013 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе, 2 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в журналах, индексируемых в Scopus, 1 статья - в Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 146 страниц. В работе содержатся 10 таблиц, 47 рисунков и 4 приложения.

Купить