RU2701008C1 - Ultra-supercritical working agent generation module - Google Patents
Ultra-supercritical working agent generation module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2701008C1 RU2701008C1 RU2019100547A RU2019100547A RU2701008C1 RU 2701008 C1 RU2701008 C1 RU 2701008C1 RU 2019100547 A RU2019100547 A RU 2019100547A RU 2019100547 A RU2019100547 A RU 2019100547A RU 2701008 C1 RU2701008 C1 RU 2701008C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- housing
- cavity
- cellular material
- highly porous
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 68
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 67
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 33
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 22
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 19
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 15
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 15
- MIEKOFWWHVOKQX-UHFFFAOYSA-N (S)-2-(4-Methoxyphenoxy)propanoic acid Chemical compound COC1=CC=C(OC(C)C(O)=O)C=C1 MIEKOFWWHVOKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 10
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 10
- 239000003570 air Substances 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 7
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 3
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229920002748 Basalt fiber Polymers 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000004523 catalytic cracking Methods 0.000 description 1
- 238000004517 catalytic hydrocracking Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000002320 enamel (paints) Substances 0.000 description 1
- HVDGDHBAMCBBLR-UHFFFAOYSA-N enterolactone Chemical compound OC1=CC=CC(CC2C(C(=O)OC2)CC=2C=C(O)C=CC=2)=C1 HVDGDHBAMCBBLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000006261 foam material Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- -1 for example Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001063 inconels 617 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001235 nimonic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004058 oil shale Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
- E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
- E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
-
- 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)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (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 продуктивные нефтесодержащие 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 productive oil-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), Нижнесаксонский бассейн (Германия), Западно-нидерландский бассейн (Нидерланды), бассейн Вилд (Великобритания), формация Кессен (Венгрия), формация Вака Муэрта (Аргентина) и др.Similar in terms of the hydrocarbon composition, oil shale deposits are known in more than forty countries, including the Bakken / Three Forks, Eagle Ford, Perm Basin (USA), Paris Basin (France), Lower Saxon Basin (Germany), West Netherlands Basin ( Netherlands), Wilde basin (Great Britain), Kessen formation (Hungary), Vac Muerta 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 contained in their productive formations, low-permeability / dense rock oil. 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 суперсверхкритическими (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 100 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 Electric Power Research Institute (ERPI) calls super-critical (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" means a working agent obtained from water having a temperature of from 593 to 1000 ° C and injection pressure into the reservoir from 40 to 100 MPa.
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 топливную смесь в камере сгорания. Вода проходит по рубашке охлаждения, 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 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 in the combustion chamber. Water passes through the cooling jacket, cooling the inner wall of the combustion chamber, and is injected into the stream 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 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.An annular row of threaded holes on the outer wall of the combustion chamber provides effective cooling of the outer surface of the gas generator.
(см. патент РФ на полезную модель №136083, кл. Е21В 3/24, 2013 г.).(see RF patent for utility model No. 136083, CL EV 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 снижению КПД парогазогенератора, к увеличению времени генерирования рабочего агента в испарительной камере, а, следовательно, 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 of 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 a decrease in the efficiency of the steam and gas generator, to an increase in the time of generation of the working agent in the evaporation chamber, and, consequently, 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. При нагреве воды в теплообменнике образуется пар, который через прорези поступает в емкость паросборника и далее через канал 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.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. When water is heated in the heat exchanger, steam is formed, which, through the slots, enters the capacity of the steam collector and then enters the mixing chamber through the channel. 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 vapor-gas mixture.
(см. патент РФ №2283456, кл. F22B 1/22, 2006 г.).(see RF patent No. 2283456, CL F22B 1/22, 2006).
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.
Известен генератор сверхкритического рабочего агента в форме сверхкритической воды для последующей его доставки на забой скважины в продуктивный пласт для повышения его нефтеотдачи, содержащий полый корпус, в котором размещен теплообменник, вход теплообменных труб теплообменника имеет возможность подсоединения к линии подачи под высоким давлением воды для получения рабочего агента, а выход - к продуктопроводу - колонне насосно-компрессорных труб для закачки полученного рабочего агента в продуктивный пласт скважины.A known generator of a supercritical working agent in the form of supercritical water for its subsequent delivery to the bottom of the well into the reservoir to increase its oil recovery, containing a hollow body in which the heat exchanger is placed, the input of the heat exchanger tubes of the heat exchanger can be connected to the water supply line under high pressure to obtain a working agent, and the outlet - to the product pipeline - the tubing string for pumping the resulting working agent into the well formation.
Генератор оснащен установленным в корпусе горелочным устройством, выполненным в виде оснащенной устройством поджига горелки, к которой подведен топливопровод.The generator is equipped with a burner installed in the housing, made in the form of a burner ignition device equipped with a fuel line.
На корпусе генератора установлен патрубок для отвода из полости корпуса продуктов сгорания топлива.A nozzle is installed on the generator’s body for removal of fuel combustion products from the cavity of the housing.
(см. патент РФ №2611873, кл. Е21В 43/24, 2017 г.) - наиболее близкий аналог.(see RF patent No. 2611873, CL ЕВВ 43/24, 2017) - the closest analogue.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что известный генератор обеспечивает получение рабочего агента в форме сверхкритической воды, имеющей температуру на выходе Т=450°С и давление Р=30 МПа. Однако известная конструкция генератора характеризуется значительными тепловыми потерями при генерировании рабочего агента, что обусловлено неравномерным распределением продуктов сгорания топлива в полости корпуса и ограниченным временем его нахождения в полости корпуса. Это снижает производительность ее работы и КПД.As a result of the analysis of the known solution, it should be noted that the known generator provides a working agent in the form of supercritical water having an outlet temperature T = 450 ° C and pressure P = 30 MPa. However, the known design of the generator is characterized by significant heat loss during the generation of the working agent, which is due to the uneven distribution of the products of fuel combustion in the cavity of the housing and the limited time spent in the cavity of the housing. This reduces the productivity of its work and efficiency.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, имеющего высокую (до 1000°С) температуру и высокое (до 100 МПа) давление 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.The technical result of the present invention is the creation of an ultra-supercritical working agent generation module having a high (up to 1000 ° C) temperature and high (up to 100 MPa) pressure 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.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в модуле генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, содержащем полый корпус с патрубком отвода продуктов сгорания газообразной топливной смеси из полости корпуса, установленный в корпусе теплообменник, вход которого имеет возможность подсоединения к линии подвода воды, а выход - соединения с продуктопроводом для доставки полученного рабочего агента в продуктивный пласт скважины, а также установленное в корпусе горелочное устройство, имеющее возможность соединения с линией подвода газообразной топливной смеси, новым является то, что объем корпуса разделен на две сообщающиеся друг с другом полости, как минимум, двумя перфорированными отверстиями защитными отражающими экранами-перегородками, установленными в корпусе с образованием пространства между ними таким образом, что их отверстия смещены друг относительно друга, в одной из полостей корпуса размещено горелочное устройство, а в другой - теплообменник, горелочное устройство выполнено в виде блока инфракрасных горелок, каждая из которых включает высокопористый ячеистый материал, устройство поджига и перфорированную трубу, подсоединенную к раздаточному топливному коллектору, имеющему возможность соединения с линией подвода газообразной топливной смеси, а теплообменник выполнен в виде теплообменных труб, вход которых имеет возможность соединения с линией подвода воды, а выход - с продуктопроводом для доставки полученного рабочего агента в продуктивный пласт скважины, при этом, полость корпуса, в которой размещен теплообменник, заполнена высокопористым ячеистым материалом, а патрубок корпуса имеет возможность соединения с каналом отвода продуктов сгорания топлива из полости корпуса теплообменника.The indicated technical result is ensured by the fact that, in the ultra-supercritical working agent generation module, comprising a hollow body with a pipe for exhausting gaseous fuel mixture combustion products from the body cavity, a heat exchanger installed in the body, the input of which has the ability to connect to the water supply line, and the output to connect with a product pipeline for delivering the obtained working agent to the well formation, as well as a burner device installed in the housing that can be connected to By supplying a gaseous fuel mixture, it is new that the body volume is divided into two cavities communicating with each other by at least two perforated openings with protective reflective screen-partitions installed in the housing with the formation of a space between them so that their openings are offset from each other relative to each other, in one of the cavities of the housing there is a burner device, and in the other a heat exchanger, the burner device is made in the form of a block of infrared burners, each of which includes you entrenching cellular material, an ignition device and a perforated pipe connected to a fuel distribution manifold having the ability to connect to the supply line of the gaseous fuel mixture, and the heat exchanger is made in the form of heat transfer pipes, the input of which can be connected to the water supply line, and the output to the product pipeline for delivering the obtained working agent to the productive formation of the well, while the body cavity in which the heat exchanger is placed is filled with highly porous cellular material, and patr The bottom of the housing has the ability to connect to the channel for the removal of fuel combustion products from the cavity of the heat exchanger housing.
Для компоновки горелочного устройства может быть использован высокопористый ячеистый материал из пенокарбида кремния или пенооксида циркония, имеющий от 100 до 60 пор на дюйм.A highly porous cellular material made of silicon foam or zirconium foam having from 100 to 60 pores per inch can be used to build the burner device.
Для заполнения полости корпуса, в которой размещен теплообменник, может быть использован высокопористый ячеистый материал из пенокарбида кремния или пенооксида циркония, имеющий от 40 до 10 пор на дюйм, при этом, высокопористый ячеистый материал нижней части полости корпуса имеет от 40 до 30 пор на дюйм, а высокопористый ячеистый материал верхней части полости корпуса имеет от 20 до 10 пор на дюйм.To fill the cavity of the housing in which the heat exchanger is placed, a highly porous cellular material of silicon foam or zirconium foam having from 40 to 10 pores per inch can be used, while the highly porous cellular material of the lower part of the cavity of the body has from 40 to 30 pores per inch and the highly porous cellular material of the upper part of the body cavity has from 20 to 10 pores per inch.
Теплообменные трубы теплообменника могут быть полностью или частично заполнены высокопористым ячеистым материалом из пеноникеля или пенонихрома, имеющим от 100 до 5 пор на дюйм.The heat exchanger tubes of the heat exchanger may be completely or partially filled with highly porous cellular material of foam nickel or foam foam having from 100 to 5 pores per inch.
Перфорированные трубы горелочного устройства могут быть изготовлены из молибдена.The perforated pipes of the burner device can be made of molybdenum.
В теплообменнике, в высокопористом ячеистом материале между теплообменными трубами могут быть размещены отражающие экраны-перегородки, частично перекрывающие полость корпуса, которые могут быть перфорированы отверстиями.In the heat exchanger, in highly porous cellular material, reflective baffles can partially be placed between the heat exchange tubes, partially overlapping the body cavity, which can be perforated with holes.
Корпус модуля может быть изготовлен из титана или иного жаропрочного и жаростойкого материала, а внутренняя поверхность его полости, в которой размещено горелочное устройство, может быть выполнена отражающей.The module housing can be made of titanium or other heat-resistant and heat-resistant material, and the inner surface of its cavity, in which the burner device is placed, can be made reflective.
Теплообменник может быть выполнен из нескольких соединяемых друг с другом секций.The heat exchanger can be made of several sections connected to each other.
Модуль может быть оснащен дополнительным теплообменником, теплообменные трубы которого размещены в канале отвода продуктов сгорания топлива из полости корпуса теплообменника, входом имеют возможность подсоединения к линии подвода воды, а выходом к теплообменным трубам основного теплообменника Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:The module can be equipped with an additional heat exchanger, the heat exchange pipes of which are placed in the channel for removing the products of fuel combustion from the cavity of the heat exchanger body, with an input they can be connected to the water supply line, and with an output to the heat exchange pipes of the main heat exchanger The essence of the claimed invention is illustrated by graphic materials on which:
- на фиг. 1 - модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, общий вид, теплообменник в разрезе;- in FIG. 1 - ultra-supercritical working agent generation module, general view, sectional view of a heat exchanger;
- на фиг. 2 - разрез А-А по фиг. 1.- in FIG. 2 is a section AA in FIG. one.
Модуль генерации ультра-сверхкритического рабочего агента (модуль) (фиг. 1, фиг. 2) выполнен в виде полого корпуса 1, объем которого разделен перфорированными защитными отражающими экранами-перегородками 2 и 3 на сообщающиеся через их отверстия-перфорации (соответственно, 4 и 5) полость «А», в которой скомпоновано горелочное устройство, и полость «Б» генерации ультра-сверхкритического рабочего агента, в которой размещены батареи (блоки) теплообменных труб 6 теплообменного устройства (теплообменника).The ultra-supercritical working agent generation module (module) (Fig. 1, Fig. 2) is made in the form of a
Защитные отражающие экраны-перегородки 2 и 3 выполнены в виде плоских перфорированных листов из термостойкого материала (температура плавления которого не ниже 1500°С) с, предпочтительно, полированными поверхностями для отражения части энергии инфракрасного излучения, и установленных в полости корпуса 1 с зазором друг относительно друга и параллельно друг другу таким образом, что их перфорации 4 и 5 смещены друг относительно друга на шаг «t». Количество защитных отражающих экранов-перегородок 2 и 3 не может быть менее двух. Одна из функций защитных отражающих экранов-перегородок 2 и 3 - защита нижних рядов теплообменных труб 6 от тепловой коррозии.The protective reflective partition walls 2 and 3 are made in the form of flat perforated sheets of heat-resistant material (the melting temperature of which is not lower than 1500 ° C) with preferably polished surfaces to reflect part of the energy of infrared radiation, and installed in the cavity of the
Внутренние поверхности полости «А» корпуса 1 наиболее целесообразно выполнять отражающими. Для обеспечения эффекта отражения части энергии инфракрасного излучения, исходящего от инфракрасных горелок, поверхности могут быть отполированы или на них может быть нанесено термостойкое теплоотражающее покрытие. В качестве такового может быть использовано стеклоэмалевое покрытие, например, ЭВК-104 М, которое, кроме выполнения функции отражения, обеспечивает защиту поверхностей корпуса, работающих в особо теплонапряженных условиях от высокотемпературной газовой коррозии до 1050°С длительно и до 1200°С кратковременно. Наличие покрытия повышает надежность и ресурс работы корпуса 1 в 1,5-2 раза.The inner surface of the cavity "A" of the
Использование отражающих поверхностей обеспечивает получение в процессе работы модуля направленного в сторону полости «Б» потока инфракрасного излучения, что увеличивает плотность теплового потока, в целом, и, соответственно, повышает эффективность разогрева теплообменных труб 6, особенно в средней и верхней частях теплообменника, снижает тепловые потери и, в конечном итоге, повышает КПД модуля.The use of reflective surfaces ensures that, during operation of the module, the infrared radiation flux directed towards the cavity “B” is increased, which increases the heat flux density, in general, and, accordingly, increases the heating efficiency of
Скомпонованное в полости «А» корпуса 1 горелочное устройство выполнено секционным, в виде нескольких инфракрасных горелок (на фиг. 1 их количество («N; N+1; N+n») три, но это не означает, что оно не может быть иным). Каждая инфракрасная горелка состоит из высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) 7, устройства поджига (например, пьезоэлемента - не показан), размещенного в пространстве между ВПЯМ 7 и защитным отражающим экраном-перегородкой 3, а также трубы 8, перфорированной по своей длине отверстиями (не показаны) и входом подсоединенной к раздаточному топливному коллектору 9, соединенному с линией подвода топлива.The burner arranged in the cavity “A” of the
Использование в горелочном устройстве инфракрасных горелок позволяет обеспечить прямое преобразование теплоты горения топлива в энергию инфракрасного излучения. Инфракрасные горелки с горел очными элементами пористой структуры характеризуются высокой скоростью горения и устойчивостью процесса горения, а также пониженными выбросами вредных 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 infrared burners in the burner allows direct conversion of the heat of combustion of the fuel into the energy of infrared radiation. Infrared burners with burned full-time elements of a porous structure are characterized by a high burning rate and a stable combustion process, as well as reduced emissions of harmful combustion products into the atmosphere. Actually, burners of this type are widely known (see, for example, RF patents No./2151956, 2065123, 2151957, 2137040, US patent No. 5326631, etc.).
Используемый в горелочном устройстве ВПЯМ 7 изготовлен из термостойких материалов, способных работать при температурах от 1500 до 1700°С, например, пенокарбида кремния или пенооксида циркония и имеет от 100 до 60 пор на дюйм. Такое количество пор обеспечивает эффективное и полное сжигание газообразного топлива в матрице ВПЯМ 7 без образования пламени.The VPYAM 7 used in the burner is made of heat-resistant materials capable of operating at temperatures from 1500 to 1700 ° C, for example, silicon foam or zirconium foam and has from 100 to 60 pores per inch. Such a number of pores provides efficient and complete combustion of gaseous fuel in the HPMP matrix 7 without flame formation.
В качестве газообразного топлива, поступающего в раздаточный топливный коллектор 9, может быть использована 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, или природного газа, очищенного или неочищенного попутного нефтяного газа и воздуха. В качестве газообразного топлива также может использоваться сингаз, состоящий, в основном, из водорода (Н2), метана (СН4), диоксида углерода (СО2) и монооксида углерода (СО).As the gaseous fuel entering the dispensing
В полости «Б» корпуса 1 смонтирован теплообменник, в котором осуществляется генерация ультра-сверхкритического рабочего агента.A heat exchanger is mounted in cavity “B” of
Теплообменник состоит из батареи теплообменных труб 6, входом подсоединенных к раздаточному водяному коллектору, соединенному линией 10 с источником воды. Наиболее предпочтительная форма расположения теплообменных труб в полости «Б» - в виде змеевиков, что позволяет увеличить их длину, и, следовательно, поверхность теплоотдачи. Данная форма расположения теплообменных труб в теплообменниках встречается весьма часто и преимущества такой их паковки известны довольно хорошо.The heat exchanger consists of a battery of
Свободное пространство в полости «Б» заполнено ВПЯМ 11. В качестве материала ВПЯМ 11 целесообразно использовать пенокарбид кремния или пенооксид циркония, которые способны работать при температурах от 1500 до 1700°С и имеющие от 40 до 10 пор на дюйм. Предпочтительно, чтобы нижняя часть полости «Б» корпуса, примерно до его середины, была заполнена ВПЯМ с количеством пор от 40 до 30 на дюйм, а от середины и до верха - с количеством пор от 20 до 10 на дюйм. Такая конфигурация ВПЯМ обеспечивает естественную тягу и, как следствие, эффективное удаление продуктов сгорания топлива из корпуса 1. Естественная тяга создается еще и за счет того, что ВПЯМ, имеющий 10 пор на дюйм, имеет меньшую величину степени газодинамического сопротивления по сравнению с ВПЯМ, имеющим 40 пор на дюйм или 60 пор на дюйм, или 100 пор на дюйм.The free space in the cavity “B” is filled with
Использование ВПЯМ, заполняющего свободное пространство в полости «Б», позволяет, во-первых, повысить эффективность теплообменных процессов на внешней поверхности теплообменных труб (увеличить значение величины теплообменного коэффициента), а во-вторых, это позволяет дополнительно к обеспечиваемой воздуходувками (не показаны) искусственной тяге удаления продуктов сгорания топлива из корпуса 1, создать и естественную тягу за счет гравитационных сил, обусловленных, как разностью температур продуктов сгорания топлива в нижней и верхней частях корпуса теплообменника, так и оптимальным соотношением пористости ВПЯМ 7 и ВПЯМ 11, а именно тем, что газодинамическое сопротивление ВПЯМ 11, имеющего от 40 до 10 пор на дюйм, меньше газодинамического сопротивления ВПЯМ 11, имеющего от 100 до 60 пор на дюйм.The use of HPLC filling the free space in the cavity “B” allows, firstly, to increase the efficiency of heat transfer processes on the outer surface of the heat transfer tubes (to increase the value of the heat transfer coefficient), and secondly, this allows in addition to that provided by blowers (not shown) artificial draft removal of the products of combustion of fuel from the
Теплообменные трубы 6 могут быть заполнены полностью или частично ВПЯМ (не показан), имеющим от 100 до 5 пор на дюйм. Данный ВПЯМ может быть изготовлен из пеноникеля или пенонихрома. Использование ВПЯМ, заполняющего полностью или частично внутреннюю полость теплообменных труб 6, позволяет повысить эффективность теплообменных процессов на внутренней поверхности теплообменных труб 6 (увеличить значение величины теплообменного коэффициента).The
В полости «Б» между теплообменными трубами в ВПЯМ 11 могут быть помещены отражающие экраны-перегородки 12, выполненные в виде плоских листов с, предпочтительно, полированной поверхностью, способной отражать часть энергии инфракрасного излучения. Отражающие экраны-перегородки 12 могут быть перфорированы отверстиями (не показаны). Длина отражающих экранов-перегородок 12 меньше длины корпуса 1, а установлены они таким образом, что одна из них примыкает к одной из стенок корпуса 1 и образует проходной канал для продуктов сгорания топлива с противоположной стенкой, а соседняя - наоборот, примыкает к противоположной стенке корпуса 1 и образует проходной канал с другой стенкой. Наличие отражающих экранов-перегородок 12 увеличивает путь прохождения продуктов сгорания топлива через полость «Б» корпуса теплообменника, что позволяет увеличить их теплоотдачу, а, следовательно, повысить КПД модуля.In the cavity "B" between the heat exchange tubes in the
Весьма существенно также и то, что наличие перфорированных отражающих экранов-перегородок 12 позволяет сформировать в полости «Б» модуля одновременно как горизонтальный, так и вертикальный потоки горячих газообразных продуктов сгорания топлива, которые, перемещаясь в горизонтальном и вертикальном направлениях, контактируя друг с другом, турбулизируют потоки продуктов сгорания в полости «Б» модуля и, таким образом, дополнительно улучшают теплообмен на внешней теплообменной поверхности теплообменных труб 6.It is also very important that the presence of perforated reflecting screens-baffles 12 allows you to form in the cavity "B" of the module at the same time both horizontal and vertical flows of hot gaseous products of fuel combustion, which, moving in the horizontal and vertical directions, in contact with each other, turbulent flows of combustion products in the cavity "B" of the module and, thus, further improve heat transfer on the external heat exchange surface of the
Количество отражающих экранов-перегородок 12 может быть различным и определяется количеством рядов теплообменных труб 6, размещенных в полости «Б» корпуса теплообменника, объемом подаваемого газообразного топлива, объемом продуктов сгорания.The number of reflective screens-baffles 12 can be different and is determined by the number of rows of
Теплообменник может быть выполнен в виде нескольких (на фиг. 2 показано три) секций, «В», «Г», «Д», которые при сборке стыкуются друг с другом по соединительным поверхностям корпуса, при этом батареи теплообменных труб соединяются друг с другом для образования единого проходного канала для генерируемого рабочего агента. Использование секционного теплообменника, наряду с использованием секционного горелочного устройства позволяет компоновать модули с обеспечением генерации ультра-сверхкритического рабочего агента с тепловой мощностью от 1 МВт до 100 МВт. При использовании секционного теплообменника нижние секции (секцию) его заполняют ВПЯМ с количеством пор от 40 до 30 на дюйм, а верхние секции (секцию) - ВПЯМ с количеством пор от 20 до 10 на дюйм.The heat exchanger can be made in the form of several (in Fig. 2, three) sections, “B”, “G”, “D”, which, when assembled, are joined to each other along the connecting surfaces of the housing, while the batteries of the heat exchange tubes are connected to each other to form a single pass-through channel for the generated working agent. The use of a sectional heat exchanger, along with the use of a sectional burner device, allows the modules to be assembled to ensure the generation of an ultra-supercritical working agent with a thermal power of 1 MW to 100 MW. When using a sectional heat exchanger, the lower sections (section) are filled with HPLM with pores from 40 to 30 per inch, and the upper sections (section) are filled with HPLM with pores from 20 to 10 per inch.
На верхней части корпуса 1 имеется патрубок 13 отвода продуктов сгорания газообразного топлива из полости корпуса, соединенный с каналом 14 отвода продуктов сгорания. В канале 14 может быть расположен первый дополнительный теплообменник 15, входом соединенный с линией подачи воды, а выходом подсоединенный к входному коллектору теплообменных труб 6 и предназначенный для предварительного подогрева воды, подаваемой от установки водоподготовки на раздаточный водяной коллектор. Весьма целесообразно, чтобы внутренняя полость теплообменной трубы теплообменника 15 была полностью или частично заполнена ВПЯМ, имеющим от 100 до 5 пор на дюйм.On the upper part of the
Так как максимальная температура нагрева воды в заявленном модуле не превышает 1000°С, то в качестве материала ВПЯМ может быть использован пеноникель или пенонихром, способные работать при температурах до 1445 и 1400°С, соответственно. При этом ВПЯМ, имеющий 5 пор на дюйм, может быть использован для полного или частичного заполнения внутренней полости теплообменной трубы, в которой температура воды не превышает 100°С, а ВПЯМ, имеющий 100 пор на дюйм может быть использован для полного или частичного заполнения внутренней полости теплообменной трубы, в которой температура воды составляет более 500°С. ВПЯМ с меньшим количеством пор на дюйм используется, как правило, для турбулизации воды, имеющей высокую плотность, а ВПЯМ с большим количеством пор на дюйм, используется, как правило, для турбулизации воды (сверхкритической воды или ультра-сверхкритической воды), имеющей меньшую плотность. Так плотность воды при давлении 99,9 МПа и температуре 100°С составляет 999,7 кг/м3, а при давлении 99,9 МПа и температуре 798°С составляет 321,2 кг/м3.Since the maximum temperature of water heating in the claimed module does not exceed 1000 ° C, foam nickel or foam nichrome can be used as the HPMP material, capable of operating at temperatures up to 1445 and 1400 ° C, respectively. In this case, HPLM, having 5 pores per inch, can be used to completely or partially fill the internal cavity of the heat exchanger tube, in which the water temperature does not exceed 100 ° C, and HPLM, having 100 pores per inch, can be used to completely or partially fill the internal the cavity of the heat exchange pipe in which the water temperature is more than 500 ° C. HPLC with a smaller number of pores per inch is used, as a rule, for turbulization of water with a high density, and HPMP with a large number of pores per inch, is used, as a rule, for turbulization of water (supercritical water or ultra-supercritical water) having a lower density . So the density of water at a pressure of 99.9 MPa and a temperature of 100 ° C is 999.7 kg / m 3 , and at a pressure of 99.9 MPa and a temperature of 798 ° C is 321.2 kg / m 3 .
Более подробная информация о ВПЯМ приведена в источнике [2].More detailed information on HPLM is given in the source [2].
В канале 14 может быть расположен второй дополнительный теплообменник 16, предназначенный для подогрева газообразного топлива или его компонента (воздуха), подаваемого в раздаточный топливный коллектор 9 по линии 17.In the
Теплообменные трубы 6, расположенные в верхней части теплообменника могут быть изготовлены из стали SS 316 или ее аналогов, а средние и нижние ряды теплообменных труб теплообменника могут быть изготовлены из специальных жаропрочных и коррозионностойких сплавов, например, Inconel 625, HR6W, GH2984, Haynes 230, Inconel 617/617 В, Nimonic 263, Haynes 282, Inconel 740 и 740H или из других аналогичных сплавов.The
Внутренняя поверхность теплообменных труб 6 может быть выполнена рифленой.The inner surface of the
Корпус 1 модуля генерации ультра-сверхкритического агента изготовлен, предпочтительно из титана. Такой выбор объясняется низкой плотностью титана (4,54 г/см3), высокой жаростойкостью (Т плавления ср. 1950 К) и коррозионостойкостью, 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 корпуса 1 модуля может быть помещено теплоизолирующее покрытие, преимущественно, многослойное, которое может быть изготовлено из последовательно уложенных друг на друга слоев углеродного аэрогеля (контактирует с корпусом), слоя кремнеземного аэрогеля, слоя алюминиевой фольги, поверхность которой является отражающей, слоя базальтового волокна и кожуха, изготовленного, предпочтительно из нержавеющей стали. Толщина каждого теплоизолирующего покрытия, а именно, углеродного аэрогеля, кремнеземного аэрогеля и базальтового волокна может составлять от 5 до 30 мм.On the outer surface of the
Для обеспечения функционирования заявленного модуля используется наземное оборудование, а именно: установка водоподготовки; установка приготовления топлива; блок каталитической очистки продуктов сгорания топлива; насосно-компрессорное оборудование/воздуходувки и др. Данное оборудование является стандартным и его выполнение не является предметом патентной охраны.To ensure the operation of the claimed module, ground-based equipment is used, namely: a water treatment plant; fuel preparation unit; unit for catalytic purification of fuel combustion products; pump-compressor equipment / blowers, etc. This equipment is standard and its implementation is not subject to patent protection.
При подготовке модуля к работе подсоединяют раздаточный топливный коллектор 9 к линии 17 подвода топлива, раздаточный водяной коллектор теплообменных труб соединяют с установкой водоподготовки, а в линии их соединения, если это необходимо, включают дополнительные первый и второй теплообменники 15 и 16. Патрубок 13 отвода продуктов сгорания топлива из полости корпуса соединяют с каналом 14 отвода продуктов сгорания топлива, в котором размещены дополнительные теплообменники 15 и 16.When preparing the module, the
Модуль готов к работе.The module is ready to go.
Модуль работает следующим образом.The module works as follows.
Перед подачей воды в теплообменные трубы 6 или в первый дополнительный теплообменник 15 (при его наличии) осуществляют предварительную ее подготовку в установке водоподготовки (не показана).Before water is supplied to the
В установке водоподготовки вода умягчается, например, с использованием электромагнитного преобразователя накипи, очищается от механических примесей и под давлением до 100 МПа подается в первый дополнительный теплообменник 15. В теплообменнике 15 предварительно подготовленная вода, за счет тепла отводимых из полости корпуса 1 газообразных продуктов сгорания топлива, разогревается до температуры 80…120°С и подается в теплообменные трубы 6 основного теплообменника для генерации ультра-сверхкритического рабочего агента.In a water treatment plant, water is softened, for example, using an electromagnetic scale converter, it is cleaned of mechanical impurities and supplied to a first
Наличие дополнительных теплообменников обеспечивает утилизацию тепла продуктов сгорания газообразного топлива.The presence of additional heat exchangers ensures utilization of the heat of the combustion products of gaseous fuels.
При отсутствии первого дополнительного теплообменника 15 вода из установки водоподготовки поступает непосредственно в теплообменные трубы 6.In the absence of the first
Параллельно по линии 17 в горелочное устройство подают газообразное топливо, которое подогревают во втором дополнительном теплообменнике 16 (при его наличии), после чего оно поступает в раздаточный топливный коллектор 9, заполняет трубы 8 и через их перфорации поступает в ВПЯМ 7, на выходе из которого поджигается устройством поджига и полностью сгорает/окисляется в пространстве между защитным отражающим экраном-перегородкой 3 и в ячейках объема ВПЯМ 7 (температура сгорания топлива в объеме ВПЯМ 7 достигает 1200…1400°С), в результате высокотемпературные продукты сгорания газообразного топлива - топочные газы, через отверстия 5 в перегородке 3 поступают в пространство между перфорированными защитными отражающими экранами-перегородками 2 и 3. Принцип работы инфракрасных горелочных устройств достаточно хорошо известен и нет необходимости приводить его в данной заявке.In parallel, through the
Учитывая, что перфорации - отверстия в защитных отражающих экранах-перегородках 2 и 3 смещены друг относительно друга на шаг «t», поступающие в пространство между ними продукты сгорания газообразного топлива не сразу поступают в полость «Б» через перфорации 4, а перед поступлением перемешиваются в этом пространстве, что позволяет выровнять их температуру и плотность по всему объему между перегородками 2 и 3 и обеспечить подачу продуктов сгорания газообразного топлива практически одной температуры и плотности в ВПЯМ 11 полости «Б» равномерно через все перфорации 4 защитного отражающего экрана-перегородки 2.Considering that the perforations - holes in the protective reflective screens-partitions 2 and 3 are offset from each other by a step "t", the products of combustion of gaseous fuel entering the space between them do not immediately enter the cavity "B" through the perforations 4, but are mixed before entering in this space, which makes it possible to equalize their temperature and density over the entire volume between partitions 2 and 3 and ensure the supply of gaseous fuel combustion products of almost the same temperature and density in
Весьма важно, что проницаемость ВПЯМ 11 несколько ниже (от 40 до 10 пор на дюйм), чем проницаемость ВПЯМ 7 (от 100 до 60 пор на дюйм). Такое соотношение проницаемости (пористости) ВПЯМ 7 и 11 обеспечивает эффективное прохождение топочных газов через внутренний объем корпуса 1 за счет того, что газодинамическое сопротивление ВПЯМ 11, имеющего от 40 до 10 пор на дюйм, меньше газодинамического сопротивления ВПЯМ 11, имеющего от 100 до 60 пор на дюйм.It is very important that the permeability of
По мере нагрева воды, перемещающейся по теплообменным трубам 6 теплообменника от их входа к выходу, начинается постепенный процесс ее трансформации в ультра-сверхкритический рабочий агент, что выражается, в частности, в уменьшении плотности нагреваемой воды. По мере нагрева вода трансформируется в сверхкритический и далее в ультра-сверхкритический рабочий агент, имеющий рабочую температуру, например, 700°С при рабочем давлении 50 МПа (плотность 129,57 кг/м3).As the water is heated, moving through the
Полученный в теплообменнике ультра-сверхкритический рабочий агент истекает из реактора теплообменных труб и поступает в продуктопровод, например, колонну теплоизолированных насосно-компрессорных труб и по ним - в продуктивный пласт.The ultra-supercritical working agent obtained in the heat exchanger flows out of the heat exchange tube reactor and enters the product pipeline, for example, a column of heat-insulated tubing and, through them, into the reservoir.
Истекающие из корпуса 1 через патрубок 13 продукты сгорания топлива по каналу 14 поступают в блок каталитической очистки (при его наличии) или удаляются в атмосферу.The products of fuel combustion flowing out of the
Максимальные термобарические характеристики заявленного модуля генерации ультра-сверхкритического рабочего агента: Т=1000°С и Р=100 МПа.The maximum thermobaric characteristics of the claimed ultra-supercritical working agent generation module: T = 1000 ° C and P = 100 MPa.
Рабочие термобарические характеристики: Т=700°С и Р=50 МПа.Operating thermobaric characteristics: Т = 700 ° С and Р = 50 MPa.
В заявленном изобретении новым и оказывающим непосредственное влияние на достижение указанного технического результата является то, что теплообменные трубы теплообменника находятся в теле ВПЯМ, который оптимальным образом распределяет поток продуктов сгорания газообразной топливной смеси по полости «Б», турбулизирует его, и, таким образом, обеспечивает высокоэффективный нагрев наружных теплообменных поверхностей теплообменных труб теплообменника.In the claimed invention, new and having a direct impact on the achievement of the indicated technical result is that the heat exchanger tubes are located in the HPMP body, which optimally distributes the flow of combustion products of the gaseous fuel mixture through cavity “B”, turbulizes it, and thus provides highly efficient heating of the external heat exchanger surfaces of the heat exchanger tubes of the heat exchanger.
Из современного уровня развития техники известно, что одной из наиболее значительных проблем, возникающих при генерации перегретого пара и особенно сверхкритической воды и/или ультра-сверхкритической воды, является феномен, так называемого, кризиса теплообмена, который проявляется в резком ухудшении теплообмена, в данном случае, на внутренней теплопередающей поверхности теплообменных труб, что ведет, как правило, к быстрому возрастанию температуры теплопередающей поверхности, и при высоких давлениях может привести к разрушению устройств, предназначенных для генерации, преимущественно, воды, находящейся в сверхкритическом и/или в ультра-сверхкритическом состоянии. В заявленном изобретении предотвращение кризиса теплообмена, - ухудшение теплообмена на внутренней теплообменной поверхности обеспечивается как за счет использования теплообменных труб с рифленой внутренней поверхностью, но, в основном, за счет помещения ВПЯМ в полости теплообменных труб, и при этом ВПЯМ, помещенный в полости теплообменных труб может полностью или частично заполнять их внутренние полости, как в теплообменнике модуля, так и в первом дополнительном теплообменнике (при его наличии). ВПЯМ эффективно турбулизирует нагреваемый водный флюид и препятствует образованию любых теплоизолирующих прослоек между внутренними теплообменными поверхностями теплообменных труб и нагреваемым водным флюидом в форме воды, как в докритическом состоянии, так и в сверхкритическом и/или в ультра-сверхкритическом состоянии.From the current level of technological development it is known that one of the most significant problems arising from the generation of superheated steam and especially supercritical water and / or ultra-supercritical water is the phenomenon of the so-called heat transfer crisis, which manifests itself in a sharp deterioration in heat transfer, in this case , on the internal heat transfer surface of the heat transfer pipes, which usually leads to a rapid increase in the temperature of the heat transfer surface, and at high pressures can lead to destruction of PTS designed for generating, advantageously water in the supercritical and / or ultra-supercritical state. In the claimed invention, the prevention of heat transfer crisis, the deterioration of heat transfer on the inner heat exchange surface is ensured both through the use of heat exchange tubes with a corrugated inner surface, but mainly due to the placement of HPLM in the cavity of the heat exchange pipes, and at the same time HPLM placed in the cavity of the heat exchange pipes can completely or partially fill their internal cavities, both in the module heat exchanger and in the first additional heat exchanger (if any). HPLM efficiently turbulizes the heated aqueous fluid and prevents the formation of any heat-insulating interlayers between the internal heat-exchanging surfaces of the heat exchanger tubes and the heated aqueous fluid in the form of water, both in a subcritical state and in a supercritical and / or ultra-supercritical state.
Использование отражающих экранов-перегородок 12 весьма существенно повышает эффективность нагрева наружных теплообменных поверхностей теплообменных труб и увеличивает путь прохождения продуктов сгорания газообразной топливной смеси в средней и верхней частях модуля. Весьма существенно также и то, что использование защитных отражающих экранов-перегородок в нижней части теплообменника предохраняет нижние ряды теплообменных труб от температурной коррозии и, тем самым, продлевает срок их безопасной эксплуатации.The use of reflective screens-baffles 12 very significantly increases the heating efficiency of the external heat exchange surfaces of the heat transfer pipes and increases the path of the combustion products of the gaseous fuel mixture in the middle and upper parts of the module. It is also very important that the use of protective reflective screens-partitions in the lower part of the heat exchanger protects the lower rows of heat-exchange pipes from thermal corrosion and, thereby, prolongs the period of their safe operation.
Использование дополнительных теплообменников позволяет более эффективно использовать тепло продуктов сгорания газообразной топливной смеси и снизить тепловые потери, а также повысить эффективность сжигания газообразной топливной смеси в инфракрасных горелках и, таким образом, повысить КПД модуля.The use of additional heat exchangers makes it possible to more efficiently use the heat of the combustion products of the gaseous fuel mixture and reduce heat loss, as well as increase the efficiency of burning the gaseous fuel mixture in infrared burners and, thus, increase the efficiency of the module.
Использованная в решении секционная конструкция горелочного устройства и теплообменника позволяет, в зависимости от решаемой задачи, компоновать модули с оптимальным количеством горелок и секций теплообменников, что обеспечивает выпуск широкой гаммы модулей для генерации ультра-сверхкритического рабочего агента с тепловой мощностью от 1 МВт до 100 МВт.The sectional design of the burner device and heat exchanger used in the solution allows, depending on the problem to be solved, to assemble modules with the optimal number of burners and sections of heat exchangers, which ensures the production of a wide range of modules for generating an ultra-supercritical working agent with a thermal power of 1 MW to 100 MW.
Источники информации:Information 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 (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019100547A RU2701008C1 (en) | 2019-01-14 | 2019-01-14 | Ultra-supercritical working agent generation module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019100547A RU2701008C1 (en) | 2019-01-14 | 2019-01-14 | Ultra-supercritical working agent generation module |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2701008C1 true RU2701008C1 (en) | 2019-09-24 |
Family
ID=68063402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019100547A RU2701008C1 (en) | 2019-01-14 | 2019-01-14 | Ultra-supercritical working agent generation module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2701008C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| LV15834A (en) * | 2022-10-19 | 2024-04-20 | Latvijas Universitāte | Reactor for the production of synthesis gas by the method of partial oxidation of natural gas |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2315905C1 (en) * | 2006-07-27 | 2008-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Фирма "Газприборавтоматика" | Technological heater, mainly, for stabilization of natural gas in gaseous state and radiation gas burner of infrared emission |
| CN203249225U (en) * | 2013-05-06 | 2013-10-23 | 中国石油天然气第八建设有限公司 | Vehicle-mounted ultra-supercritical pressure boiler |
| RU153204U1 (en) * | 2014-10-22 | 2015-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Вольф" | HEATING BOILER |
| RU2559250C1 (en) * | 2014-08-01 | 2015-08-10 | Олег Васильевич Коломийченко | Bottomhole catalytic assembly for thermal impact on formations containing hydrocarbons and solid organic substances |
| RU2611873C1 (en) * | 2015-08-25 | 2017-03-01 | Владимир Георгиевич Кирячёк | Heavy hydrocarbons intraformational molecular modification method and device for its implementation |
| KR101739688B1 (en) * | 2016-03-29 | 2017-05-24 | 문수연 | Steam boiler |
| RU2016111725A (en) * | 2016-03-30 | 2017-10-05 | Владимир Георгиевич Кирячек | WORKING AGENT GENERATION MODULE FOR THERMAL INFLUENCE ON OIL AND PETROGEN CONTAINING LAYERS |
| RU2653869C1 (en) * | 2017-07-06 | 2018-05-15 | Владимир Георгиевич Кирячек | Device for generating ultra super critical working fluid |
-
2019
- 2019-01-14 RU RU2019100547A patent/RU2701008C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2315905C1 (en) * | 2006-07-27 | 2008-01-27 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Фирма "Газприборавтоматика" | Technological heater, mainly, for stabilization of natural gas in gaseous state and radiation gas burner of infrared emission |
| CN203249225U (en) * | 2013-05-06 | 2013-10-23 | 中国石油天然气第八建设有限公司 | Vehicle-mounted ultra-supercritical pressure boiler |
| RU2559250C1 (en) * | 2014-08-01 | 2015-08-10 | Олег Васильевич Коломийченко | Bottomhole catalytic assembly for thermal impact on formations containing hydrocarbons and solid organic substances |
| RU153204U1 (en) * | 2014-10-22 | 2015-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Вольф" | HEATING BOILER |
| RU2611873C1 (en) * | 2015-08-25 | 2017-03-01 | Владимир Георгиевич Кирячёк | Heavy hydrocarbons intraformational molecular modification method and device for its implementation |
| KR101739688B1 (en) * | 2016-03-29 | 2017-05-24 | 문수연 | Steam boiler |
| RU2016111725A (en) * | 2016-03-30 | 2017-10-05 | Владимир Георгиевич Кирячек | WORKING AGENT GENERATION MODULE FOR THERMAL INFLUENCE ON OIL AND PETROGEN CONTAINING LAYERS |
| RU2653869C1 (en) * | 2017-07-06 | 2018-05-15 | Владимир Георгиевич Кирячек | Device for generating ultra super critical working fluid |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| LV15834A (en) * | 2022-10-19 | 2024-04-20 | Latvijas Universitāte | Reactor for the production of synthesis gas by the method of partial oxidation of natural gas |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2653869C1 (en) | Device for generating ultra super critical working fluid | |
| ES2733083T3 (en) | Apparatus and method for burning a fuel at high pressure and high temperature, and associated system and device | |
| EP2351965B1 (en) | Catalytic burner apparatus for Stirling engine | |
| KR20110122670A (en) | Fuel preheating system | |
| CA2771470C (en) | Heating apparatus | |
| JP2012514175A5 (en) | ||
| CN101432065A (en) | Internal combustion exchanger reactor for endothermic reaction in fixed bed | |
| CN104112867B (en) | The reforming reaction device of a kind of SOFC system burning capacity cascade utilization and electricity generation system | |
| NL8005827A (en) | DOWNHOLE STEAMER. | |
| RU2701008C1 (en) | Ultra-supercritical working agent generation module | |
| RU2347972C1 (en) | Cryogenic liquid evaporator | |
| US20100257839A1 (en) | Hydrocarbon-fueled rocket engine with endothermic fuel cooling | |
| WO2017136288A1 (en) | Ceramic matrix catalytic heat exchanger | |
| US9903585B1 (en) | Catalytic burner with utilization chamber | |
| US6148908A (en) | Heat exchanger for cooling a hot process gas | |
| CN210656142U (en) | Thermal cracking hydrogen production device for assisting ammonia combustion | |
| RU2316648C1 (en) | Downhole steam-gas generator | |
| RU2539055C1 (en) | Coal gasification complex | |
| CN107218619B (en) | Boiler capable of utilizing waste heat of flue gas | |
| RU2315905C1 (en) | Technological heater, mainly, for stabilization of natural gas in gaseous state and radiation gas burner of infrared emission | |
| NO314988B1 (en) | Apparatus and method for carrying out an endothermic reaction | |
| WO2021077660A1 (en) | Supercritical hydrothermal combustion-type downhole steam generator for heavy oil thermal recovery | |
| JP6124534B2 (en) | Combustion system | |
| CN111871336A (en) | Low-carbon alkane reforming reaction device and synthesis gas equipment | |
| US9914642B2 (en) | Method for producing hydrogen-containing gaseous fuel and thermal gas-generator plant |