RU2653869C1 - Device for generating ultra super critical working fluid - Google Patents
Device for generating ultra super critical working fluid Download PDFInfo
- Publication number
- RU2653869C1 RU2653869C1 RU2017123943A RU2017123943A RU2653869C1 RU 2653869 C1 RU2653869 C1 RU 2653869C1 RU 2017123943 A RU2017123943 A RU 2017123943A RU 2017123943 A RU2017123943 A RU 2017123943A RU 2653869 C1 RU2653869 C1 RU 2653869C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- ultra
- heat
- working agent
- cellular material
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
- F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
- F22B1/22—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion under pressure substantially exceeding atmospheric pressure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оборудованию для нефтегазовой промышленности и может быть использовано для генерации рабочего агента в форме ультра-сверхкритической воды, подаваемого в нефтекерогеносодержащие пласты для повышения их отдачи.The invention relates to equipment for the oil and gas industry and can be used to generate a working agent in the form of ultra-supercritical water supplied to oil-kerogen-containing formations to increase their return.
В настоящее время на территории России открыты месторождения углеводородов (в частности, баженовская и доманиковая свиты), основной углеводородный потенциал которых заключен не в подвижных нефтях (нефть низкопроницаемых/плотных пород), а в неподвижном керогене и в неподвижной или малоподвижной битуминозной нефти.Currently, hydrocarbon deposits have been discovered in Russia (in particular, the Bazhenov and Domanik formations), the main hydrocarbon potential of which is not in mobile oils (low-permeability / dense rock oil), but in stationary kerogen and in stationary or inactive bituminous oil.
Аналогичные по качественному углеводородному составу месторождения - нефтеносные сланцевые плеи, известны на территории более сорока стран, включая Баккен/Три Форкс, Игл Форд, Пермский бассейн (США), Парижский бассейн (Франция), Нижне-саксонский бассейн (Германия), Западно-нидерландский бассейн (Нидерланды), бассейн Вилд (Великобритания), формация Кессен (Венгрия), формация Вака Муэрта (Аргентина) и др.Oil-bearing shale deposits of similar quality in hydrocarbon composition are known in over forty countries, including the Bakken / Three Forks, Eagle Ford, Perm basin (USA), Paris basin (France), Lower Saxony basin (Germany), West Netherlands Basin (Netherlands), Wilde Basin (United Kingdom), Kessen Formation (Hungary), Vac Muert Formation (Argentina), etc.
Комплексное освоение таких месторождений предполагает использование теплового или термохимического воздействия на их продуктивные пласты для внутрипластовой генерации синтетических углеводородов из керогена и битуминозной нефти, а также для частичного внутрипластового облагораживания и интенсификации добычи содержащейся в их продуктивных пластах нефти низкопроницаемых/плотных пород. При использовании теплового, термохимического воздействия на продуктивные пласты, в них, в ходе осуществления внутрипластового каталитического ретортинга, включающего такие базовые процессы, как внутрипластовый пиролиз/гидропиролиз, гидрокрекинг, каталитический крекинг, термический крекинг и др., в сверхкритической флюидной среде генерируются синтетические углеводороды как в жидкой, так и в газообразной формах, а также осуществляется частичное облагораживание нефти низкопроницаемых/плотных пород.The integrated development of such deposits involves the use of thermal or thermochemical effects on their productive formations for in-situ generation of synthetic hydrocarbons from kerogen and bituminous oil, as well as for partial in-situ refinement and intensification of production of low-permeability / dense oil contained in their productive formations. When using thermal and thermochemical effects on productive formations, in them, during in-situ catalytic retorting, including such basic processes as in-situ pyrolysis / hydropyrolysis, hydrocracking, catalytic cracking, thermal cracking, etc., synthetic hydrocarbons are generated in a supercritical fluid medium in liquid and in gaseous forms, as well as partial refinement of low-permeability / dense oil.
Как показали исследования, осуществление внутрипластового каталитического ретортинга, а также реэнергизация и увеличение проницаемости продуктивных пластов, могут быть осуществлены за счет закачки в них полученного из воды рабочего агента, параметры которого (температура и давление) обеспечивают прогрев продуктивных пластов до температуры от 400 до 480°С. Для достижения этого результата, с учетом тепловых транспортных потерь, которые неизбежно возникают при доставке рабочего агента с дневной поверхности скважины в продуктивный пласт, необходимо чтобы наземное оборудование генерировало рабочий агент с температурой от 500 до 1000°С и давлением от 40 до 50 МПа.As studies have shown, the implementation of in-situ catalytic retorting, as well as reenergization and an increase in the permeability of productive formations, can be carried out by pumping a working agent obtained from water, the parameters of which (temperature and pressure) provide heating of the productive formations to a temperature of 400 to 480 ° FROM. To achieve this result, taking into account the thermal transport losses that inevitably occur when the working agent is delivered from the day surface of the well to the reservoir, it is necessary that the ground equipment generate a working agent with a temperature of 500 to 1000 ° C and a pressure of 40 to 50 MPa.
Генерируемый с такими рабочими параметрами рабочий агент находится в сверхкритическом или в ультра-сверхкритическом состоянии. Термин «ультра-сверхкритическая вода» (УСК-вода; Ultra-Supercritical Water (USCW)) используется в технической литературе и техническими специалистами для обозначения проектных режимов работы устройств с параметрами выше тех, которые принято называть «сверхкритическими». В теплоэнергетике типичный диапазон сверхкритических параметров - от 245 до 285 бар при температуре от 540 до 580°С. Американский Исследовательский Институт Электроэнергетики (ERPI) называет суперсверкритическими (Ультра-сверхкритическими. Ultra-Supercritical (USC)) такие «паровые циклы», где «пар» прогревается до температуры более 593°С при давлении более 280 бар [1]. В заявленном изобретении под термином «ультра-сверхкритический рабочий агент» понимается полученный из воды рабочий агент, имеющий температуру от 593 до 1000°С и давление закачки в продуктивный пласт от 40 до 50 МПа.The working agent generated with such operating parameters is in a supercritical or ultra-supercritical state. The term "ultra-supercritical water" (USK-water; Ultra-Supercritical Water (USCW)) is used in the technical literature and by technical experts to designate the operating modes of devices with parameters higher than those that are called "supercritical". In the power system, a typical range of supercritical parameters is from 245 to 285 bar at a temperature of 540 to 580 ° C. The American Research Institute of Electric Energy (ERPI) calls super-supercritical (Ultra-Supercritical. Ultra-Supercritical (USC)) such "steam cycles", where the "steam" is heated to a temperature of more than 593 ° C at a pressure of more than 280 bar [1]. In the claimed invention, the term "ultra-supercritical working agent" is understood to mean a working agent obtained from water having a temperature of 593 to 1000 ° C and an injection pressure of 40 to 50 MPa into the reservoir.
Для генерации высокотемпературного рабочего агента высокого давления в форме перегретого пара или в форме сверхкритической воды, в том числе и для закачивания через скважины в углеводородосодержащие продуктивные пласты, используется довольно широкая гамма оборудования.A fairly wide range of equipment is used to generate a high-temperature working agent of high pressure in the form of superheated steam or in the form of supercritical water, including for pumping through wells into hydrocarbon-containing reservoirs.
Так, например, известен парогазогенератор, содержащий запальное устройство с каналом подвода воздуха и форсункой горючего, камеру сгорания с форсуночной головкой, каналами ввода горючего и воды, и рубашкой охлаждения, образованной внутренней и наружной стенками парогазогенератора, испарительную камеру с кольцом сброса и несколькими секциями из сужающихся и расширяющихся частей и цилиндрических участков. Во внутренней стенке в конце камеры сгорания выполнен кольцевой ряд калиброванных отверстий, на наружной стенке камеры сгорания выполнен кольцевой ряд резьбовых отверстий. Камера сгорания разъемно соединена посредством резьбового соединения с испарительной камерой.For example, a steam and gas generator is known that contains an ignition device with an air supply channel and a fuel nozzle, a combustion chamber with a nozzle head, fuel and water input channels, and a cooling jacket formed by the inner and outer walls of the steam and gas generator, an evaporation chamber with a discharge ring and several sections from tapering and expanding parts and cylindrical sections. An annular row of calibrated holes is made in the inner wall at the end of the combustion chamber; an annular row of threaded holes is made on the outer wall of the combustion chamber. The combustion chamber is detachably connected by means of a threaded connection to the evaporation chamber.
В процессе работы парогазогенератора запальное устройство поджигает смесь горючего с воздухом в камере сгорания. Вода проходит по рубашке охлаждения, надежно охлаждая внутреннюю стенку камеры сгорания, и впрыскивается в поток продуктов сгорания через кольцевой ряд калиброванных отверстий. Длина камеры сгорания от форсуночной головки до кольца сброса испарительной камеры составляет не менее 700 мм, что обеспечивает повышение полноты сгорания горючего за счет большого времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания, а также отдаляет основной фронт горения от зоны впрыска воды, при этом вода не влияет на процесс горения в камере сгорания. Нагрев, испарение воды и перемешивание образовавшегося пара с продуктами сгорания осуществляется в испарительной камере, выполненной в виде нескольких сужающихся и расширяющихся частей и цилиндрических участков. Установленное в испарительной камере кольцо сброса, обеспечивает интенсивное первичное перемешивание воды с продуктами сгорания, что приводит к резкому снижению температуры смеси в начальной зоне испарительной камеры за счет интенсивного испарения воды, а это способствует снижению тепловой нагрузки на стенку испарительной камеры до приемлемого уровня. Разъемное соединение камеры сгорания с испарительной камерой обеспечивает возможность быстрого ремонта устройства при выходе из строя камеры сгорания или испарительной камеры.During operation of the steam and gas generator, the ignition device ignites the fuel mixture with air in the combustion chamber. Water passes through the cooling jacket, reliably cooling the inner wall of the combustion chamber, and is injected into the flow of combustion products through an annular row of calibrated openings. The length of the combustion chamber from the nozzle head to the discharge ring of the evaporation chamber is at least 700 mm, which ensures an increase in the completeness of combustion of the fuel due to the long residence time of the combustion products in the combustion chamber, and also moves the main combustion front away from the water injection zone, while water does not affect on the combustion process in the combustion chamber. Heating, evaporation of water and mixing of the formed steam with combustion products is carried out in an evaporation chamber made in the form of several tapering and expanding parts and cylindrical sections. A discharge ring installed in the evaporation chamber provides intensive primary mixing of water with the combustion products, which leads to a sharp decrease in the temperature of the mixture in the initial zone of the evaporation chamber due to intensive evaporation of water, and this helps to reduce the heat load on the wall of the evaporation chamber to an acceptable level. The detachable connection of the combustion chamber with the evaporation chamber provides the ability to quickly repair the device in case of failure of the combustion chamber or the evaporation chamber.
Кольцевой ряд резьбовых отверстий на наружной стенке камеры сгорания обеспечивает эффективное охлаждение наружной поверхности парогазогенератора (см. патент РФ на полезную модель №136083, кл. Е21В 3/24, 2013 г.).An annular row of threaded holes on the outer wall of the combustion chamber provides effective cooling of the outer surface of the gas and gas generator (see RF patent for utility model No. 136083, class E21B 3/24, 2013).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что оно обеспечивает получение рабочего агента - парогазовой смеси, которая может использоваться в энергетике для паровых и газовых турбин, для очистки загрязненных поверхностей струей высокотемпературной парогазовой смеси, интенсификации добычи нефти. Компонентами для получения рабочего агента - парогазовой смеси служат жидкое углеводородное горючее, воздух и вода. Однако известный парогазогенератор способен генерировать рабочий агент - высокотемпературную парогазовую смесь, имеющую давление не более 30 МПа. Кроме того, для его работы необходимо использование компрессорной системы высокого давления (30 МПа) для подачи в горелочное устройство окислителя в виде воздуха. Существенно также и то, что в известном парогазогенераторе камера сгорания топлива и испарительная камера смонтированы последовательно, то есть испарительная камера пристыкована к торцу камеры сгорания. Это приводит не только к увеличению осевых размеров парогазогенератора, но и к неравномерному распределению тепловой энергии, полученной от сгорания топлива по длине испарительной камеры, в результате чего температура рабочего агента, генерируемого вблизи камеры сгорания, значительно выше, нежели в полости камеры, удаленной от камеры сгорания. Это приводит к увеличению времени генерирования рабочего агента в испарительной камере, а следовательно, к снижению производительности, но самое главное к снижению температуры рабочего агента на выходе из парогазогенератора.As a result of the analysis of the known solution, it should be noted that it provides a working agent — a gas-vapor mixture, which can be used in the energy sector for steam and gas turbines, for cleaning contaminated surfaces with a jet of high-temperature gas-vapor mixture, and for intensification of oil production. The components for obtaining a working agent - a gas-vapor mixture are liquid hydrocarbon fuels, air and water. However, the known steam-gas generator is capable of generating a working agent - a high-temperature steam-gas mixture having a pressure of not more than 30 MPa. In addition, for its operation, it is necessary to use a high-pressure compressor system (30 MPa) for supplying an oxidizer in the form of air to the burner device. It is also significant that in the known steam and gas generator the fuel combustion chamber and the evaporation chamber are mounted in series, that is, the evaporation chamber is docked to the end of the combustion chamber. This leads not only to an increase in the axial dimensions of the steam and gas generator, but also to an uneven distribution of thermal energy received from fuel combustion along the length of the evaporation chamber, as a result of which the temperature of the working agent generated near the combustion chamber is much higher than in the cavity of the chamber remote from the chamber combustion. This leads to an increase in the time of generation of the working agent in the evaporation chamber, and therefore, to a decrease in productivity, but most importantly, to a decrease in the temperature of the working agent at the outlet of the steam and gas generator.
Известен парогазогенератор, содержащий корпус, в котором образованы две полости, соединенные друг с другом посредством коллектора, размещенные в корпусе камеру сгорания в виде жаровой трубы и охватывающий ее кольцевой водяной теплообменник, имеющий подвод холодной воды, с расположенным в верхней части паросборником, имеющим прорези для прохождения пара из теплообменника. Камера сгорания оснащена расположенным у ее торца горелочным устройством. В корпусе, за кольцевым водяным теплообменником концентрично с камерой сгорания расположена камера смешения с выходным отверстием для парогазовой смеси. В камере смешения имеются завихрители потока, а между стенкой корпуса и камерой сгорания расположен цилиндрический элемент, по наружной поверхности камеры сгорания в корпусе закреплены продольные наклонные ребра. Паросборник и камера смешения соединены каналом друг с другом. На противоположном относительно горелки торце камеры сгорания и в средней части камеры смешения размещены форсунки, предназначенные для регулирования температуры генерируемой парогазовой смеси.A steam and gas generator is known comprising a housing in which two cavities are formed, connected to each other by means of a collector, a combustion chamber in the form of a flame tube placed in the housing and an annular water heat exchanger enveloping it, having a cold water supply, with a steam collector located in the upper part having slots for the passage of steam from the heat exchanger. The combustion chamber is equipped with a burner located at its end. In the housing, behind the annular water heat exchanger concentrically with the combustion chamber there is a mixing chamber with an outlet for the gas-vapor mixture. In the mixing chamber there are flow swirls, and between the wall of the housing and the combustion chamber there is a cylindrical element, longitudinal inclined ribs are fixed on the outer surface of the combustion chamber in the housing. The steam collector and mixing chamber are connected to each other by a channel. At the opposite end of the combustion chamber relative to the burner and in the middle part of the mixing chamber are nozzles for regulating the temperature of the generated vapor-gas mixture.
Для работы парогазогенератора водяной теплообменник подключают к источнику воды, включают горелку и форсунки. На форсунки подают воду. После нагрева воды в теплообменнике образуется пар, который через прорези поступает в емкость паросборника и далее через канал пар поступает в камеру смешения. Из камеры сгорания отходящие газы также поступают в камеру смешения. В результате происходит эффективное перемешивание пара и газа, и парогазовая смесь поступает на выход для использования потребителем. Перемешивание смеси улучшается под воздействием мелкодисперсной воды, поступающей под давлением из форсунок, которая также регулирует температуру парогазовой смеси (см. патент РФ №2283456, кл. F22B 1/22, 2006 г.) - наиболее близкий аналог.For operation of a steam and gas generator, a water heat exchanger is connected to a water source, a burner and nozzles are turned on. Water is supplied to the nozzles. After heating the water, steam forms in the heat exchanger, which enters through the slots into the container of the steam collector and then through the channel of steam enters the mixing chamber. From the combustion chamber, the exhaust gases also enter the mixing chamber. As a result, effective mixing of steam and gas occurs, and the gas-vapor mixture enters the outlet for use by the consumer. Mixing of the mixture improves under the influence of finely dispersed water coming under pressure from the nozzles, which also regulates the temperature of the gas-vapor mixture (see RF patent No. 2283456, class F22B 1/22, 2006) - the closest analogue.
В результате анализа конструкции известного парогазогенератора необходимо отметить, что расположение горелочного устройства в торце водяного теплообменника не позволяет равномерно изнутри прогревать всю теплообменную поверхность водяного теплообменника, что снижает его производительность по получению рабочего агента, а также качество получаемого рабочего агента. Кроме того, для конструкции известного парогенератора характерны довольно большие тепловые потери, что снижает его КПД.As a result of the analysis of the design of the well-known steam and gas generator, it should be noted that the location of the burner in the end of the water heat exchanger does not allow evenly inside heating up the entire heat exchange surface of the water heat exchanger, which reduces its productivity in producing a working agent, as well as the quality of the resulting working agent. In addition, the design of the known steam generator is characterized by rather large heat losses, which reduces its efficiency.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание компактного устройства генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, имеющего высокую (до 1000°С) температуру и высокое давление (до 100 МПа) и, в то же время, высокопроизводительного, надежного при эксплуатации, в том числе за счет исключения возникновения явления «кризис теплообмена», отвечающего требованиям по экологичности, обладающего высоким КПД за счет генерирования ультра-сверхкритического рабочего агента с минимальными тепловыми потерями и, в то же время, простого в изготовлении и при эксплуатации.The technical result of the present invention is the creation of a compact device for generating an ultra-supercritical working agent having a high (up to 1000 ° C) temperature and high pressure (up to 100 MPa) and, at the same time, high-performance, reliable in operation, including due to eliminating the occurrence of the phenomenon of “heat transfer crisis”, which meets environmental requirements, has high efficiency due to the generation of an ultra-supercritical working agent with minimal heat loss and, at the same time, It is easy to manufacture and use.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, содержащем модуль генерации, представляющий собой трубчатый корпус, в котором размещены выполненный в виде полого цилиндра реактор генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, имеющий возможность соединения выходом с продуктопроводом для доставки полученного рабочего агента в продуктивный пласт, а также камеру сгорания, оснащенную устройством поджига газообразной топливной смеси и имеющую возможность соединения с установкой приготовления газообразной топливной смеси, новым является то, что в корпусе модуля генерации установлен перфорированный экран-отражатель, расположенный в корпусе продольно и разделяющий внутренний объем корпуса на две сообщающиеся друг с другом полости, в одной из полостей продольно смонтирован реактор, на выходе которого установлен регулятор давления сгенерированного ультра-сверхкритического рабочего агента, пространство между наружной поверхностью реактора, корпусом и перфорированным экраном-отражателем заполнено высокопористым ячеистым материалом, а в другой полости скомпонована камера сгорания, выполненная в виде инфракрасной горелки, состоящей из помещенного в полость корпуса высокопористого ячеистого материала, разделенного на секции плоскими экранами-отражателями, а также размещенной продольно в высокопористом ячеистом материале перфорированной трубы, входной канал которой имеет возможность соединения с установкой приготовления топлива, а на корпусе модуля имеется канал для отвода из полости корпуса топочных газов, при этом устройство оснащено модулем рекуперации тепла топочных газов, выполненным в виде корпуса, в котором коаксиально с зазором размещена теплообменная труба, вход которой имеет возможность соединения с источником воды, а выход соединен с входом реактора, полость между корпусом и теплообменной трубой заполнена высокопористым ячеистым материалом и оснащена входным и выходным каналами, первый из которых соединен с каналом отвода топочных газов модуля генерации, а выходной канал имеет возможность соединения с блоком каталитической очистки топочных газов, при этом внутренние поверхности корпусов модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и модуля рекуперации тепла топочных газов могут быть выполнены отражающими.The specified technical result is ensured by the fact that in the device for generating an ultra-supercritical working agent containing a generating module, which is a tubular body, in which a reactor for generating an ultra-supercritical working agent made in the form of a hollow cylinder is placed, having the possibility of connecting the outlet to the product pipeline for delivery of the obtained working agent into the reservoir, as well as a combustion chamber equipped with a device for igniting a gaseous fuel mixture and having the possibility of In conjunction with the installation of the preparation of a gaseous fuel mixture, it is new that a perforated reflector screen is installed in the housing of the generation module, located longitudinally in the housing and dividing the internal volume of the housing into two cavities communicating with each other, a reactor is mounted longitudinally in one of the cavities, at the outlet which is equipped with a pressure regulator of the generated ultra-supercritical working agent, the space between the outer surface of the reactor, the body and the perforated reflector screen filled with highly porous cellular material, and in another cavity a combustion chamber is arranged in the form of an infrared burner, consisting of a highly porous cellular material placed in the body cavity, divided into sections by flat reflective screens, and also placed longitudinally in a highly porous cellular material of a perforated pipe, the inlet channel which has the ability to connect to the fuel preparation unit, and on the module case there is a channel for removing flue gases from the cavity of the case, while the trio is equipped with a flue gas heat recovery module, made in the form of a housing in which a heat exchange pipe is placed coaxially with a gap, the inlet of which can be connected to a water source, and the outlet is connected to the reactor inlet, the cavity between the body and the heat exchange pipe is filled with highly porous cellular material and equipped input and output channels, the first of which is connected to the flue gas exhaust channel of the generation module, and the output channel has the ability to connect to the catalytic treatment unit gases, wherein the casing inner surface generation module ultra-supercritical working agent module and flue gas heat recovery can be made reflective.
В высокопористом ячеистом материале инфракрасной горелки, по всей ее длине между перфорированной трубой и корпусом может быть размещен перфорированный экран-отражатель, имеющий дугообразную форму и охватывающий со стороны корпуса перфорированную трубу.In the highly porous cellular material of the infrared burner, along its entire length between the perforated tube and the housing, a perforated reflector screen having an arcuate shape and covering the perforated tube from the side of the housing can be placed.
В высокопористом ячеистом материале, размещенном в пространстве между реактором и корпусом, по всей длине корпуса может быть размещен перфорированный экран-отражатель, имеющий дугообразную форму и охватывающий со стороны корпуса реактор.In a highly porous cellular material placed in the space between the reactor and the vessel, a perforated reflector screen having an arcuate shape and enclosing the reactor from the vessel side can be placed along the entire length of the vessel.
Полости реактора и теплообменной трубы полностью или частично заполнены высокопористым ячеистым материалом.The cavities of the reactor and the heat exchange tube are completely or partially filled with highly porous cellular material.
На наружной поверхности корпусов модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и модуля рекуперации тепла топочных газов может быть помещено закрытое снаружи кожухом многослойное теплоизолирующее покрытие, состоящее из последовательно уложенных друг на друга слоев - контактирующего с корпусом слоя углеродного аэрогеля, слоя кремнеземного аэрогеля, слоя алюминиевой фольги и слоя базальтового волокна.A multilayer heat-insulating coating closed from the outside by a casing can be placed on the outer surface of the housings of the ultra-supercritical working agent generation module and the flue gas heat recovery module, consisting of layers successively stacked on top of each other — a layer of carbon airgel, a layer of silica airgel, a layer of aluminum foil and a layer of basalt fiber.
Высокопористый ячеистый материал модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента может быть изготовлен из пенокарбида кремния или пенооксида циркония с количеством пор от 5 до 60 на дюйм.The highly porous cellular material of the ultra-supercritical working agent generation module can be made of silicon foam or zirconium foam with a pore number of 5 to 60 per inch.
Высокопористый ячеистый материал, помещенный в полости реактора, теплообменной трубы и корпуса модуля рекуперации тепла топочных газов, может быть изготовлен из пеноникеля, или пеномеди, или пенооксида алюминия, или пенокарбида кремния, или пенооксида циркония, или из жаропрочных сплавов (Ni-Fe-Cr-Al, Ni-Cr-Al) с количеством пор от 5 до 100 на дюйм.The highly porous cellular material placed in the cavity of the reactor, heat transfer pipe and the case of the flue gas heat recovery module can be made of foam nickel, or foam, or aluminum foam, or silicon foam, or zirconium foam, or from heat-resistant alloys (Ni-Fe-Cr -Al, Ni-Cr-Al) with a pore number of 5 to 100 per inch.
Реактор модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента может быть изготовлен из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, например Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 В, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 и 740H.The reactor of the ultra-supercritical working agent generation module can be made of heat-resistant and corrosion-resistant alloys, for example, Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 V, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 and 740H.
Перфорированная труба модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента может быть изготовлена из молибдена.The perforated tube of the ultra-supercritical working agent generation module may be made of molybdenum.
Теплообменная труба модуля рекуперации тепла топочных газов может быть изготовлена из стали SS 316 или из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, например Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 В, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 и 740H.The heat exchange pipe of the flue gas heat recovery module can be made of SS 316 steel or of heat-resistant and corrosion-resistant alloys, for example Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 V, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 and 740H .
Экраны-отражатели могут быть изготовлены из титана.Reflector screens can be made of titanium.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых:The essence of the claimed invention is illustrated by drawings, in which:
на фиг. 1 показан модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, продольный разрез;in FIG. 1 shows an ultra-supercritical working agent generation module, longitudinal section;
на фиг. 2 - разрез А - А по Фиг. 1;in FIG. 2 - section A - A of FIG. one;
на фиг. 3 - разрез Б - Б по Фиг. 1;in FIG. 3 - section B - B of FIG. one;
на фиг. 4 - модуль рекуперации тепла топочных газов, продольный разрез;in FIG. 4 - module heat recovery of flue gases, a longitudinal section;
на фиг. 5 - схема заполнения высокопористым ячеистым материалом (ВПЯМ) полостей реактора модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и теплообменной трубы модуля рекуперации тепла топочных газов, при этом на фиг. 5А показаны внутренние полости реактора модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и теплообменной трубы модуля рекуперации тепла топочных газов, полностью заполненные ВПЯМ, на фиг. 5Б показаны полости реактора модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и теплообменной трубы модуля рекуперации тепла топочных газов, частично заполненные ВПЯМ, а на фиг. 5В показан предпочтительный вариант заполнения ВПЯМ полостей реактора модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и теплообменной трубы модуля рекуперации тепла топочных газов, в котором ВПЯМ имеет трубчатую форму и размещен на внутренней поверхности реактора и теплообменной трубы;in FIG. 5 is a diagram of filling with a highly porous cellular material (HPLM) of the reactor cavities of the ultra-supercritical working agent generation module and the heat exchange pipe of the flue gas heat recovery module, wherein in FIG. 5A shows the internal cavities of the reactor of the ultra-supercritical working agent generation module and the heat exchange tube of the flue gas heat recovery module completely filled with HPLC, in FIG. 5B shows the reactor cavities of the ultra-supercritical working agent generation module and the heat exchange pipe of the flue gas heat recovery module, partially filled with HPLC, and in FIG. 5B shows a preferred embodiment for filling the HPLM of the reactor cavities of the ultra-supercritical working agent generation module and the heat exchange pipe of the flue gas heat recovery module, in which the HPLM has a tubular shape and is placed on the inner surface of the reactor and the heat exchange pipe;
на фиг. 6 - схема наружного теплоизолирующего покрытия корпусов модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и модуля рекуперации тепла топочных газов.in FIG. 6 is a diagram of an external heat-insulating coating of the cases of the ultra-supercritical working agent generation module and the flue gas heat recovery module.
В описании приведенными ниже позициями обозначены следующие конструктивные элементы заявленного устройства генерации ультра-сверхкритического рабочего агента:In the description, the following items indicate the following structural elements of the claimed device for generating ultra-supercritical working agent:
1 - корпус модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента;1 - housing module generating ultra-supercritical working agent;
2 - ВПЯМ реактора;2 - HPLC reactor;
3 - реактор модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента;3 - reactor module generating ultra-supercritical working agent;
4 - ВПЯМ, размещенный в реакторе генерации ультра-сверхкритического рабочего агента;4 - HPLC located in the ultra-supercritical working agent generation reactor;
5 - продольный перфорированный экран-отражатель;5 - longitudinal perforated reflector screen;
6 - ВПЯМ инфракрасной горелки;6 - HPAM infrared burner;
7 - перфорированная труба инфракрасной горелки;7 - perforated tube infrared burner;
8 - подача предварительно нагретой воды из модуля рекуперации тепла топочных газов в реактор;8 - supply of preheated water from the heat recovery module of the flue gases to the reactor;
9 - выход ультра-сверхкритического рабочего агента из реактора;9 - exit ultra-supercritical working agent from the reactor;
10 - входной канал перфорированной трубы инфракрасной горелки;10 - input channel of a perforated pipe of an infrared burner;
11 - топочные газы в модуле генерации ультра-сверхкритического рабочего агента;11 - flue gases in the ultra-supercritical working agent generation module;
12 - истекающие из модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и поступающие в модуль рекуперации тепла топочные газы;12 - flue gases flowing from the ultra-supercritical working agent generation module and entering the heat recovery module;
13 - входной канал реактора;13 - input channel of the reactor;
14 - выходной канал модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента для выхода топочных газов;14 - output channel of the ultra-supercritical working agent generation module for flue gas output;
15 - выходной канал реактора;15 - output channel of the reactor;
16 - входной канал модуля рекуперации тепла топочных газов для входа топочных газов;16 - input channel of the heat recovery module of the flue gases for the input of flue gases;
17 - входной канал теплообменной трубы;17 - input channel of the heat exchange pipe;
18 - подача предварительно подготовленной воды в теплообменную трубу модуля рекуперации тепла топочных газов;18 - supply of pre-prepared water to the heat exchange pipe of the heat recovery module of the flue gases;
19 - выходной канал модуля рекуперации тепла топочных газов для выхода топочных газов;19 is an output channel of a flue gas heat recovery module for flue gas exit;
20 - выходной канал теплообменной трубы;20 - output channel of the heat exchange pipe;
21 - поток нагретой воды, выходящей из модуля рекуперации тепла топочных газов;21 - a stream of heated water leaving the flue gas heat recovery module;
22 - устройство поджига топлива в инфракрасной горелке;22 - device ignition of fuel in an infrared burner;
23 - перфорированный экран-отражатель реактора;23 - perforated reflector screen of the reactor;
24 - перфорированный экран-отражатель инфракрасной горелки;24 - perforated reflector screen of an infrared burner;
25 - секционные экраны-отражатели инфракрасной горелки;25 - sectional reflector screens of an infrared burner;
26 - корпус модуля рекуперации тепла топочных газов;26 - housing module heat recovery of flue gases;
27 - ВПЯМ модуля рекуперации тепла топочных газов, размещенный в теплообменной трубе;27 - HPLC of the heat recovery module of the flue gases located in the heat exchange pipe;
28 - теплообменная труба модуля рекуперации тепла топочных газов;28 - heat exchange tube of the heat recovery module of the flue gases;
29 - ВПЯМ, размещенный между корпусом и теплообменной трубой модуля рекуперации тепла топочных газов;29 - HPLC, located between the housing and the heat exchange tube of the flue gas heat recovery module;
30 - исходящие (отработанные) топочные газы из модуля рекуперации тепла топочных газов;30 - outgoing (exhaust) flue gases from the heat recovery module of the flue gases;
31 - слой углеродного аэрогеля;31 - a layer of carbon airgel;
32 - слой кремнеземного аэрогеля;32 - a layer of silica airgel;
33 - слой алюминиевой фольги;33 - a layer of aluminum foil;
34 - слой базальтового волокна;34 - layer of basalt fiber;
35 - кожух;35 - a casing;
36 - регулятор давления.36 - pressure regulator.
Заявленное устройство генерации ультра-сверхкритического рабочего агента состоит из соединенных друг с другом модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и модуля рекуперации тепла топочных газов (фиг. 1-6).The claimed device ultra-supercritical working agent generation consists of interconnected ultra-supercritical working agent generation module and flue gas heat recovery module (Fig. 1-6).
Модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента (фиг. 1, 2, 3 и 5) выполнен в виде трубчатого корпуса 1, полость которого по его длине разделена продольным перфорированным экраном-отражателем 5 на сообщающиеся через перфорации экрана-отражателя 5 полость «А» (фиг. 2), в которой скомпонована камера сгорания, выполненная в виде инфракрасной горелки, и полость «Б» (фиг. 2), в которой размещен реактор 3.The ultra-supercritical working agent generation module (Figs. 1, 2, 3 and 5) is made in the form of a
Внутреннюю поверхность корпуса 1 наиболее целесообразно выполнять отражающей. Для обеспечения эффекта отражения поверхность может быть отполирована или на нее может быть нанесено термостойкое теплоотражающее покрытие. Упомянутые в описании ниже отражающие поверхности конструктивных элементов устройства могут быть получены аналогичным образом.The inner surface of the
Использование отражающих поверхностей обеспечивает получение в процессе работы устройства направленного в сторону реактора потока инфракрасного излучения, что повышает эффективность разогрева реактора 3, снижает тепловые потери и, в конечном итоге, повышает КПД устройства.The use of reflective surfaces ensures that during operation of the device the flow of infrared radiation directed towards the reactor is increased, which increases the heating efficiency of
Скомпонованная в полости «А» корпуса 1 камера сгорания выполнена в виде инфракрасной горелки, содержащей проложенный в полости корпуса по всей его длине ВПЯМ 6, в котором со стороны корпуса по всей его длине размещен перфорированный экран-отражатель 24, имеющий дугообразную форму.Arranged in the cavity “A” of the
По своей длине ВПЯМ 6 разделен на секции плоскими секционными экранами-отражателями 25.The length of
В центральной части ВПЯМ 6 имеется осевой канал (позицией не обозначен), в котором по всей длине корпуса 1 проложена перфорированная труба 7, имеющая входной канал 10, предназначенный для соединения с источником (не показан) подачи в полость перфорированной трубы 7 газообразной топливной смеси. На торце корпуса 1 размещено устройство поджига 22 находящегося в перфорированной трубе 7 газообразной топливной смеси, которое выполнено известным образом, например, в виде пьезоподжига.In the central part of
Использование в качестве камеры сгорания инфракрасной горелки позволяет обеспечить прямое преобразование теплоты горения топлива в энергию инфракрасного излучения. Инфракрасные горелки с горелочными элементами пористой структуры характеризуются высокой скоростью горения и устойчивостью процесса горения, а также пониженными выбросами продуктов сгорания в атмосферу. Собственно горелки такого типа известны весьма широко (см., например, патенты РФ №/№2151956, 2065123, 2151957, 2137040, патент США №5326631 и др.).The use of an infrared burner as a combustion chamber allows direct conversion of the heat of combustion of fuel into the energy of infrared radiation. Infrared burners with burner elements of a porous structure are characterized by a high burning rate and stability of the combustion process, as well as reduced emissions of combustion products into the atmosphere. Actually, burners of this type are very widely known (see, for example, RF patents No./2151956, 2065123, 2151957, 2137040, US patent No. 5326631, etc.).
Используемый в устройстве ВПЯМ 6 изготовлен из термостойких материалов, способных работать при температурах от 1500 до 1700°С, например, пенокарбида кремния или пенооксида циркония и имеющий от 80 до 100 пор на дюйм.The
Перфорированный экран-отражатель 24 частично охватывает со стороны корпуса перфорированную трубу 7, изготовлен предпочтительно из титана, вогнутая его поверхность является отражающей для отражения части энергии инфракрасного излучения по направлению к реактору 3. Использование перфорированного экрана-отражателя 24 позволяет повысить плотность теплового потока в части объема ВПЯМ 6, примыкающей к перфорированной трубе 7, увеличив, тем самым, температуру топочных газов 11, исходящих из полости «А» и, поступающих через перфорированные отверстия экрана-отражателя 5 в полость «Б» (к реактору 3), а также снизить интенсивность теплового потока (снизить тепловые потери), достигающего внутренней поверхности корпуса 1 в объеме полости «А».The
Перфорированная труба 7 изготовлена, предпочтительно из молибдена, способного работать при температуре до 2616°С.По перфорированной трубе 7 через входной канал 10 в горелку поступает газообразная топливная смесь, состоящая, преимущественно, из природного газа и воздуха, или очищенного попутного нефтяного газа и воздуха, или из неочищенного попутного нефтяного газа и воздуха. В качестве топлива также может использоваться сингаз, состоящий, в основном, из водорода (Н2), метана (СН4), диоксида углерода (СО2) и монооксида углерода (СО).The
Плоские экраны-отражатели 25 изготовлены, предпочтительно из титана, имеют с двух сторон отражающие поверхности и расположены перпендикулярно по отношению к экрану - отражателю 5 и экрану-отражателю 24. Их наличие за счет отражающей способности позволяет во всем объеме ВПЯМ 6 не только увеличивать температуру топочных газов 11, исходящих из полости «А» и поступающих через перфорированные отверстия экрана-отражателя 5 в полость «Б», но и обеспечить равномерность теплового потока, направленного в сторону реактора 3 по всей длине реактора.Flat
Реактор 3 размещен в полости «Б» корпуса 1 по всей длине корпуса. Пространство между наружной поверхностью реактора, корпусом и продольным перфорированным экраном-отражателем 5 заполнено ВПЯМ 2. В ВПЯМ 2 со стороны корпуса 1 размещен перфорированный экран-отражатель 23, имеющий дугообразную форму и частично охватывающий со стороны корпуса реактор 3. Перфорация в экране-отражателе 23 позволяет избежать его перегрева.The
Внутренняя полость реактора 3 полностью или частично заполнена ВПЯМ 4 (фиг. 5А, фиг. 5Б, фиг. 5В). Предпочтительной является схема заполнения, представленная на фиг. 5В, которая используется при высоких скоростях течения воды внутри реактора 3. Схемы заполнения, представленные на фиг. 5А и 5Б, используются при низких скоростях течения воды внутри реактора 3.The internal cavity of the
ВПЯМ 2 изготовлен предпочтительно из пенокарбида кремния или пенооксида циркония, которые способны работать при температурах от 1500 до 1700°С и имеющие от 5 до 60 пор на дюйм.
Перфорированный экран-отражатель 23, предпочтительно изготовлен из титана и имеет вогнутую отражающую поверхность, обеспечивающую отражение части энергии инфракрасного излучения от корпуса по направлению к реактору 3.The
Реактор 3 выполнен предпочтительно, в виде полого цилиндра и изготовлен из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, например Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617В, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 и 740H. Внутренняя поверхность реактора 3 может быть выполнена рифленой для повышения эффективности предупреждения возникновения кризиса теплообмена.The
ВПЯМ 4, заполняющий полностью или частично полость реактора 3, имеет от 5 до 100 пор на дюйм и может быть изготовлен из пеноникеля, или пеномеди, или пенооксида алюминия, или пенокарбида кремния, или пенооксида циркония или из жаропрочных сплавов (Ni-Fe-Cr-Al, Ni-Cr-Al).
На выходе 15 реактора 3 установлен регулятор давления 36 сгенерированного ультра-сверхкритического рабочего агента, выполненный в виде регулируемой задвижки или регулируемого клапана.At the
Модуль рекуперации тепла топочных газов (фиг. 4 и фиг. 5) выполнен в виде трубчатого корпуса 26, в корпусе коаксиально и с зазором смонтирована теплообменная труба 28, полость которой частично или полностью заполнена ВПЯМ 27 (фиг. 5А, фиг. 5Б, фиг. 5В). Пространство между корпусом 26 и теплообменной трубой 28 заполнено ВПЯМ 29.The heat recovery module of the flue gases (Fig. 4 and Fig. 5) is made in the form of a
Корпус 26 изготовлен, преимущественно из титана, внутреннюю поверхность корпуса наиболее целесообразно выполнять отражающей для отражения части энергии инфракрасного излучения в направлении теплообменной трубы 28, что позволяет повысить плотность теплового потока в ВПЯМ 29.The
ВПЯМ 27 и ВПЯМ 29 могут быть изготовлены из пеноникеля, или пеномеди, или пенооксида алюминия, или пенокарбида кремния, или пенооксида циркония или из жаропрочных сплавов (Ni-Fe-Cr-Al, Ni-Cr-Al), которые имеют от 5 до 100 пор на дюйм.
Теплообменная труба 28 может быть изготовлена из стали SS 316 или из жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, например Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 В, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 и 740H.The
Внутренняя поверхность теплообменной трубы 28 может быть выполнена рифленой для повышения эффективности предупреждения возникновения кризиса теплообмена.The inner surface of the
Корпус 1 модуля генерации ультра-сверхкритического агента и корпус 26 модуля рекуперации тепла топочных газов изготовлены предпочтительно из титана. Такой выбор объясняется низкой плотностью титана (4,54 г/см3), высокой жаростойкостью (Т плавления ср. 1950 К) и коррозионной стойкостью, а также более низкой теплопроводностью (λ=19,6 Вт/(м⋅К), при К=1000) по сравнению с большинством марок сталей (λ= от 25 до 35 Вт/(м⋅К), при К=1000).The
На наружной поверхности корпусов 1 и 26 модулей (фиг. 6) может быть помещено теплоизолирующее покрытие, которое является многослойным и изготовлено из последовательно уложенных друг на друга слоев углеродного аэрогеля 31 (контактирует с корпусом), слоя кремнеземного аэрогеля 32, слоя алюминиевой фольги 33, поверхность которой является отражающей, слоя базальтового волокна 34 и кожуха 35, изготовленного, предпочтительно из нержавеющей стали. Толщины каждого теплоизолирующего покрытия, а именно, углеродного аэрогеля 31, кремнеземного аэрогеля 32 и базальтового волокна 34 составляют от 5 до 30 мм.On the outer surface of the
Для обеспечения функционирования заявленного устройства используется наземное оборудование, а именно: установка подготовки воды; установка приготовления топлива; блок каталитической очистки топочных газов; продуктопроводы с теплоизоляцией, насосно-компрессорное оборудование и др. Данное оборудование является стандартным и его выполнение не является предметом патентной охраны.To ensure the operation of the claimed device, ground-based equipment is used, namely: a water treatment plant; fuel preparation unit; flue gas catalytic treatment unit; heat-insulated product pipelines, tubing equipment, etc. This equipment is standard and its implementation is not subject to patent protection.
При подготовке устройства к работе состыковывают друг с другом модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и модуль рекуперации тепла топочных газов, а также данные модули с упомянутым выше наземным и скважинным оборудованием, а именно:When preparing the device for operation, the ultra-supercritical working agent generation module and the flue gas heat recovery module are docked with each other, as well as these modules with the above-mentioned ground and downhole equipment, namely:
- входной канал 17 теплообменной трубы 28 модуля рекуперации тепла топочных газов соединяют с выходом установки для подготовки воды;- the
- выходной канал 20 теплообменной трубы 28 соединяют с входным каналом 13 реактора 3 для подачи предварительно нагретой воды в реактор 3 модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента из модуля рекуперации тепла топочных газов;- the
- выходной канал 15 реактора 3 соединяют через регулятор давления 36 с продуктопроводом (не показан) для подачи полученного в устройстве ультра-сверхкритического рабочего агента в продуктивный пласт (не показан);- the
- выходной канал 14 модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента соединяют с входным каналом 16 модуля рекуперации тепла топочных газов для обеспечения поступления топочных газов 12 в модуль рекуперации тепла топочных газов из модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента;- the
- выходной канал 19 модуля рекуперации тепла исходящих «отработанных» топочных газов 30 соединяют с модулем каталитической очистки «отработанных» топочных газов (не показан);- the
- входной канал 10 перфорированной трубы 7 соединяют с выходом установки приготовления топлива.- the
Конструктивно поименованные соединения входных и выходных каналов реализованы известным образом, например, посредством муфт, соединение которых осуществляют непосредственно или через теплоизолированные продуктопроводы.Structurally named connections of the input and output channels are implemented in a known manner, for example, through couplings, the connection of which is carried out directly or through heat-insulated product pipelines.
Устройство готово к работе.The device is ready to go.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Перед подачей в модуль рекуперации тепла топочных газов осуществляют предварительную подготовку воды в соответствующей установке.Before supplying flue gas heat to the heat recovery module, water is pretreated in the appropriate installation.
В установке подготовки воды вода умягчается, например, с использованием электромагнитного преобразователя накипи, очищается от механических примесей и предварительно нагревается до температуры от 40°С (ρ=1013 кг/м3) до 80°С (ρ=992 кг/м3) при давлении до 50 МПа.In a water treatment plant, water is softened, for example, using an electromagnetic scale converter, cleaned of mechanical impurities and preheated to a temperature of 40 ° C (ρ = 1013 kg / m 3 ) to 80 ° C (ρ = 992 kg / m 3 ) at a pressure of up to 50 MPa.
Предварительно подготовленную воду подают в теплообменную трубу 28 модуля рекуперации тепла топочных газов (поток подаваемой воды обозначен позицией 18), которая нагревается в ней до заданной температуры, после чего нагретый поток (обозначен позицией 21) воды поступает (входящий в реактор 3 поток обозначен позицией 8) на вход реактора 3 модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента.Pre-prepared water is fed into the
Регулятором давления 36 поддерживают давление в теплообменной трубе 28 и в соединенным с ней реакторе 3 в пределах 50 МПа.The
Параллельно в перфорированную трубу 7 под давлением от 1 до 10 бар подают газообразную топливную смесь, которая поджигается с помощью устройства поджига 22, в результате топливо полностью сгорает/окисляется в объеме ВПЯМ 6 (температура сгорания топлива в объеме ВПЯМ достигает 1200-1400°С) и высокотемпературные топочные газы 11 через отверстия в перфорированном экране-отражателе 5 поступают в объем ВПЯМ 2, проницаемость которого выше (от 5 до 60 пор на дюйм), чем проницаемость ВПЯМ 6 (от 80 до 100 пор на дюйм), в котором размещен реактор 3 и нагревают его, а также находящуюся в его полости воду. Эффективность инфракрасного нагревательного устройства повышается за счет предварительного нагрева газообразной топливной смеси топочными газами 11 при ее прохождении по перфорированной трубе 7, находящейся в теле ВПЯМ 6. Процесс частичного окисления газообразной топливной смеси начинается уже в полости перфорированной трубы 7.In parallel, a gaseous fuel mixture is supplied to the
Принцип работы инфракрасных нагревательных устройств достаточно хорошо известен и нет необходимости приводить его в данной заявке.The principle of operation of infrared heating devices is well known and there is no need to bring it in this application.
По мере нагрева находящейся в докритическом состоянии в реакторе 3 воды начинается процесс ее трансформации в ультра-сверхкритический рабочий агент, что выражается, в частности, в уменьшении плотности нагреваемой воды.As the water in the subcritical state is heated in the
В процессе работы устройства топочные газы 11, отдав часть тепла на разогрев реактора 3, через соединенные друг с другом каналы 14 и 16, в виде потока 12 поступают в модуль рекуперации тепла, в объем ВПЯМ 29 (от 5 до 100 пор на дюйм), осуществляя нагрев поступающей в теплообменную трубу 28 воды перед подачей ее в реактор 3.In the process of operation of the device, the
В теплообменной трубе 28 вода нагревается до температуры от 100 до 200°С при давлении 50 МПа (плотность: от 980,26 кг/м3 до 896,97 кг/м3), после чего предварительно нагретая вода в виде потока 21 из теплообменной трубы 28 поступает в виде потока 8 в реактор 3, в котором в результате дальнейшего нагрева трансформируется в сверхкритический и далее в ультра-сверхкритический рабочий агент, имеющий рабочую температуру до 700°С при рабочем давлении 50 МПа (плотность: 129,57 кг/м3).In the
Полученный в модуле генерации ультра-сверхкритический рабочий агент 9 истекает из реактора 3 и поступает в продуктопровод, например, колонну теплоизолированных насосно-компрессорных труб и по ним - в продуктивный пласт.Received in the generation module
Истекающие через канал 19 из модуля рекуперации тепла «отработанные» топочные газы 30 поступают в блок каталитической очистки и после очистки удаляются в атмосферу.The “waste”
Тепловая нагрузка/мощность модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, в зависимости от характеристик используемого топлива и примененного ВПЯМ, составляет от 400 до 800 кВт/м2 площади наружной теплообменной поверхности реактора 3.The thermal load / power of the ultra-supercritical working agent generation module, depending on the characteristics of the fuel used and the HPLC used, ranges from 400 to 800 kW / m 2 of the external heat exchange surface area of the
Весьма существенным для достижения указанного технического результата является то, что реактор генерации ультра-сверхкритического рабочего агента и теплообменная труба для предварительного нагрева воды находятся в теле ВПЯМ, который турбулизирует полученный в инфракрасной горелке тепловой поток, и, таким образом, обеспечивает высокоэффективный нагрев наружных теплообменных поверхностей, как реактора 3 генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, так и теплообменной трубы 28 для предварительного нагрева воды.It is very essential to achieve the indicated technical result that the ultra-supercritical working agent generation reactor and the heat exchange pipe for preheating water are located in the HPMP body, which turbulizes the heat flux obtained in the infrared burner, and thus provides highly efficient heating of the external heat-exchange surfaces both the ultra-supercritical working
Наличие приведенных выше экранов-отражателей еще более повышает эффективность нагрева наружных теплообменных поверхностей реактора и теплообменной трубы.The presence of the above reflector screens further enhances the heating efficiency of the external heat transfer surfaces of the reactor and the heat transfer tube.
Весьма важно также и то, что при работе заявленного устройства практически исключен так называемый «кризис теплообмена», зачастую имеющий место при генерации перегретого пара и особенно сверхкритической воды и/или ультра-сверхкритической воды, который проявляется в резком ухудшении теплообмена на внутренней теплопередающей поверхности, что ведет к быстрому возрастанию температуры теплопередающей поверхности и при высоких давлениях может привести к разрушению теплогенерирующих устройств. В заявленном изобретении предупреждение явления «кризис теплообмена» достигается за счет помещения ВПЯМ во внутренние полости реактора и теплообменной трубы. ВПЯМ эффективно турбулизирует нагреваемый водный флюид и препятствует образованию любых теплоизолирующих прослоек (пузырьки воздуха) между внутренними теплообменными поверхностями реактора и теплообменной трубы для предварительного нагрева воды и нагреваемым водным флюидом.It is also very important that the operation of the claimed device practically eliminates the so-called “heat transfer crisis”, which often occurs when generating superheated steam and especially supercritical water and / or ultra-supercritical water, which manifests itself in a sharp deterioration in heat transfer on the internal heat transfer surface, which leads to a rapid increase in the temperature of the heat transfer surface and at high pressures can lead to the destruction of heat generating devices. In the claimed invention, the prevention of the phenomenon of “heat transfer crisis” is achieved by placing HPLM in the internal cavities of the reactor and the heat exchange pipe. HPLM efficiently turbulizes the heated aqueous fluid and prevents the formation of any heat-insulating interlayers (air bubbles) between the internal heat-exchange surfaces of the reactor and the heat-exchange tube for pre-heating water and the heated aqueous fluid.
Наиболее предпочтительные конфигурации ВПЯМ, помещенного в полости реактора и теплообменной трубы, представлены на фиг. 5А, фиг. 5Б, фиг. 5В, при этом количество ВПЯМ составляет от 10 до 100% объема реактора или теплообменной трубы.The most preferred configurations of HPLC placed in the cavity of the reactor and heat transfer tube are shown in FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 5B, while the amount of HPLM is from 10 to 100% of the volume of the reactor or heat transfer tube.
ВПЯМ [2], с которыми соприкасаются наружные теплообменные поверхности реактора и теплообменной трубы, повышают интенсивность притока турбулентного потока высокотемпературных топочных газов к этим наружным теплообменным поверхностям, что ведет к увеличению теплоотдачи и, соответственно, увеличению КПД устройства в целом.VPNM [2], with which the external heat exchange surfaces of the reactor and the heat exchange pipe come into contact, increase the intensity of the turbulent flow of high temperature flue gases to these external heat exchange surfaces, which leads to an increase in heat transfer and, accordingly, an increase in the efficiency of the device as a whole.
Сгенерированные в объеме ВПЯМ 6, имеющего от 80 до 100 пор на дюйм, высокотемпературные топочные газы 11 поступают в объем ВПЯМ 2, имеющий от 5 до 60 пор на дюйм, в силу Архимедовых подъемных сил, которые возникают вследствие разности плотностей флюидных сред, присутствующих внутри модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента (см. фиг. 2: Полость «А» и Полость «Б»), а также еще и за счет того, что ВПЯМ 2, имеющий меньшее количество пор на дюйм, имеет и меньший коэффициент гидро/газодинамического сопротивления.High-
Максимальные термобарические характеристики заявленного устройства генерации ультра-сверхкритического рабочего агента: Т=1000°С и Р=100 МПа.The maximum thermobaric characteristics of the claimed device for the generation of ultra-supercritical working agent: T = 1000 ° C and P = 100 MPa.
Рабочие термобарические характеристики устройства генерации ультра-сверхкритического рабочего агента: Т=700°С и Р=50 МПа.Operating thermobaric characteristics of an ultra-supercritical working agent generation device: T = 700 ° C and P = 50 MPa.
В общем, заявленное устройство выгодно отличается от аналогов за счет:In general, the claimed device compares favorably with its analogues due to:
- минимальных потерь тепла при получении рабочего агента за счет оптимальной организации тепловых потоков от инфракрасной горелки к реактору за счет использования перфорированных и неперфорированных экранов-отражателей и за счет практически полного исключения тепловых потерь за счет использования высокоэффективной теплоизоляции и отражающих внутренних поверхностей корпусов, как модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, так и модуля рекуперации тепла топочных газов, что позволяет повысить КПД устройства;- minimal heat loss when obtaining a working agent due to the optimal organization of heat fluxes from the infrared burner to the reactor due to the use of perforated and non-perforated reflector screens and due to the almost complete elimination of heat losses due to the use of highly efficient thermal insulation and reflective internal surfaces of the housings as a generation module an ultra-supercritical working agent and a heat recovery module of the flue gases, which allows to increase the efficiency of the device;
- высокой производительности за счет предварительного подогрева воды, подаваемой в реактор для получения рабочего агента, и также за счет предварительного нагрева газообразной топливной смеси, подаваемой в инфракрасную горелку;- high performance due to the preheating of the water supplied to the reactor to obtain a working agent, and also due to the preheating of the gaseous fuel mixture supplied to the infrared burner;
- получения рабочего агента строго заданных параметров за счет обеспечения продольно расположенными в одном корпусе реактором и инфракрасной горелкой практически одинаковых тепловых режимов во всем объеме реактора;- obtaining a working agent of strictly specified parameters due to the provision of practically identical thermal conditions in the entire reactor volume longitudinally located in the same reactor and infrared burner;
- расположения реактора и теплообменной трубы в полостях ВПЯМ;- the location of the reactor and the heat transfer pipe in the cavities of the HPMP;
- размещения ВПЯМ в полости реактора и теплообменной трубы; и- placement of HPLM in the cavity of the reactor and heat transfer pipe; and
- возможности использования, как бедных, так и богатых газообразных топливных смесей.- the possibility of using both poor and rich gaseous fuel mixtures.
Для получения ультра-сверхкритического рабочего агента могут быть одновременно использованы несколько устройств генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, соединенных между собой последовательно или параллельно. Такое соединение позволяет создавать наземные комплексы генераторов ультра-сверхкритического рабочего агента с тепловой мощностью от 1 МВт до 100 МВт.To obtain an ultra-supercritical working agent, several devices for generating an ultra-supercritical working agent can be used simultaneously, connected in series or in parallel. Such a connection allows the creation of ground-based complexes of ultra-supercritical working agent generators with a thermal power of 1 MW to 100 MW.
Источники информацииInformation sources
1. Сверхкритические и суперсверхкритические параметры в электроэнергетике. Мир арматуры. 4 (79), 2012 г.1. Supercritical and supercritical parameters in the electric power industry. The world of reinforcement. 4 (79), 2012
2. ПЕНОМАТЕРИАЛЫ: ВИДЫ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ. Каталог. Компания «ЭКАТ». Пермь. 2017 г.2. FOAM MATERIALS: TYPES, PROPERTIES, APPLICATION. Catalog. The company "ECAT". Permian. 2017 year
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123943A RU2653869C1 (en) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Device for generating ultra super critical working fluid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123943A RU2653869C1 (en) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Device for generating ultra super critical working fluid |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2653869C1 true RU2653869C1 (en) | 2018-05-15 |
Family
ID=62152916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017123943A RU2653869C1 (en) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Device for generating ultra super critical working fluid |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2653869C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU189433U1 (en) * | 2019-01-14 | 2019-05-22 | Керогойл Зрт. | GENERATION MODULE OF ULTRASVERCHITTING WORKING AGENT |
| RU2701008C1 (en) * | 2019-01-14 | 2019-09-24 | Керогойл Зрт. | Ultra-supercritical working agent generation module |
| RU2724676C1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-06-25 | Прифолио Инвестментс Лимитед | Apparatus for generating an ultra-supercritical working fluid |
| RU2726702C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-07-15 | Анатолий Александрович Чернов | Ultra-supercritical working agent generator |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU168962A1 (en) * | G.N. Morozov, N.V. Pavlov, A.V. Rogovsky, I.S. Ratner, V.G. Raspopov, M.A. Styrikovich, K.M. Sloser, | |||
| US3563212A (en) * | 1969-08-27 | 1971-02-16 | Steam Engines Systems Corp | Vapor generator |
| RU2283456C1 (en) * | 2004-12-20 | 2006-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Челябинское предприятие теплогенерирующих установок" | Steam-gas generator |
| RU136083U1 (en) * | 2013-07-01 | 2013-12-27 | Антон Иванович Мустейкис | STEAM GAS GENERATOR |
-
2017
- 2017-07-06 RU RU2017123943A patent/RU2653869C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU168962A1 (en) * | G.N. Morozov, N.V. Pavlov, A.V. Rogovsky, I.S. Ratner, V.G. Raspopov, M.A. Styrikovich, K.M. Sloser, | |||
| US3563212A (en) * | 1969-08-27 | 1971-02-16 | Steam Engines Systems Corp | Vapor generator |
| RU2283456C1 (en) * | 2004-12-20 | 2006-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Челябинское предприятие теплогенерирующих установок" | Steam-gas generator |
| RU136083U1 (en) * | 2013-07-01 | 2013-12-27 | Антон Иванович Мустейкис | STEAM GAS GENERATOR |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU189433U1 (en) * | 2019-01-14 | 2019-05-22 | Керогойл Зрт. | GENERATION MODULE OF ULTRASVERCHITTING WORKING AGENT |
| RU2701008C1 (en) * | 2019-01-14 | 2019-09-24 | Керогойл Зрт. | Ultra-supercritical working agent generation module |
| RU2726702C1 (en) * | 2019-09-26 | 2020-07-15 | Анатолий Александрович Чернов | Ultra-supercritical working agent generator |
| RU2724676C1 (en) * | 2019-12-26 | 2020-06-25 | Прифолио Инвестментс Лимитед | Apparatus for generating an ultra-supercritical working fluid |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2653869C1 (en) | Device for generating ultra super critical working fluid | |
| CA2876974C (en) | Downhole combustor | |
| RU2524226C2 (en) | Downhole gas generator and its application | |
| RU2475637C2 (en) | Method of dispersion of nano-catalysts into oil-bearing formations (versions) | |
| US10557336B2 (en) | System and method of producing oil | |
| KR20110122670A (en) | Fuel preheating system | |
| BRPI1008485B1 (en) | APPARATUS AND METHOD FOR COMBUSTING A FUEL IN HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE AND ASSOCIATED SYSTEM AND DEVICE. | |
| CA2771470C (en) | Heating apparatus | |
| RU2447276C1 (en) | Method of thermal exposure of oil-containing and/or kerogen-containing beds with high-viscosity and heavy oil and device for its realisation | |
| EP0088375B1 (en) | Pressure control for steam generator | |
| GB2063334A (en) | Downhole steam apparatus | |
| CA2859958C (en) | Multistage method for producing hydrogen-containing gaseous fuel and thermal gas-generator unit | |
| WO2017136288A1 (en) | Ceramic matrix catalytic heat exchanger | |
| RU2701008C1 (en) | Ultra-supercritical working agent generation module | |
| RU2316648C1 (en) | Downhole steam-gas generator | |
| RO130112A2 (en) | Process and installation for obtaining synthesis gas | |
| RU2569375C1 (en) | Method and device for heating producing oil-bearing formation | |
| CA3186178A1 (en) | Steam generator tool | |
| RU159925U1 (en) | DEVICE FOR HEATING PRODUCTIVE OIL-CONTAINING LAYER | |
| KR20210055134A (en) | Optimized Steam Injector for Reservoir Injection Wells | |
| CN205383646U (en) | Ignition device | |
| US20230068390A1 (en) | Supercritical Hydrothermal Combustion Device | |
| RU2701821C1 (en) | Heat and gas plant for production and use of hydrogen-containing gaseous fuel | |
| RU2569382C1 (en) | Downhole gas generator | |
| US20230383942A1 (en) | Steam generator tool |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20191113 |