Энергия из попутного газа

Газотурбинные установки малой мощности сегодня широко применяются для получения электричества на небольших месторождениях и в удаленных районах. Однако они способны перерабатывать только «чистый» газ и плохо работают, если он содержит много примесей.

Это значит, что «нестандартный» газ по-прежнему невозможно качественно перерабатывать, хотя при его сжигании в атмосферу попадают углекислый газ, оксиды азота и другие выбросы, усиливающие парниковый эффект. Ученые Пермского политеха создали способ, позволяющий превращать топливо с примесями в электричество и тепло прямо на месте добычи. Исследование проведено в рамках диссертации.

Сегодня основным топливом в энергетике и промышленности является природный газ. Его сжигают для получения электричества, отопления жилых домов и предприятий, применяют в качестве сырья в химической промышленности.

Природный газ используют чаще всего, потому что он чистый, энергоемкий и не требует особых условий при переработке. Но кроме него для выработки энергии сегодня можно брать и другие виды топлива — например, попутный нефтяной газ, который выделяется на месторождениях в процессе добычи. Его объемы огромны: ежегодно в России образуются десятки миллиардов кубометров такого газа.

Однако просто сжигать такое топливо нельзя, поскольку из-за этого в атмосферу выделяется большое количество оксидов азота, сероводорода и других токсичных веществ, что наносит серьезный экологический ущерб и негативно влияет на здоровье населения. Это значит, что такой газ необходимо перерабатывать, однако налаженных технологий для этого до сих пор нет.

Чтобы преобразовать попутный газ в электричество и тепло для питания оборудования и соседних жилых поселков, можно использовать газотурбинные установки малой мощности — компактные электростанции, которые размещают прямо на месте добычи.

Однако такие устройства изначально создавались под стандартный природный газ или керосин, а к топливу с большим количеством примесей они не приспособлены. Сложный состав мешает стабильному горению, приводит к перегреву и быстрому износу оборудования.

Для решения этой проблемы существуют специальные установки, которые перерабатывают именно «сложное» топливо. Тем не менее их невозможно массово использовать, поскольку все они импортные и требуют постоянных поставок запчастей из-за границы. Таким образом, сегодня не существует доступной технологии, способной утилизировать топливо с примесями.

Ученые Пермского политеха создали способ переработки попутного нефтяного газа с помощью газотурбинных установок малой мощности. Это позволит использовать сложное топливо для выработки электроэнергии и снизит выбросы вредных веществ в атмосферу.

Сегодня инженеры используют универсальную схему: смешивают газ с воздухом и нагревают смесь внутри камеры сгорания. Этот способ отлично работает с чистым природным газом, но при наличии примесей он неэффективен: из-за нестандартного состава газ не перерабатывается полностью.

Ученые предложили подогревать только само топливо еще до того, как оно попадет внутрь установки. В таком случае оно будет гореть устойчивее даже при большом количестве примесей, что повысит эффективность переработки и снизит выбросы вредных веществ.

«Чтобы проверить способ, мы использовали созданный ранее экспериментальный стенд. Первая часть установки — это горелка и система подачи газа. Вторая часть — подогреватель, который повышает температуру топлива до нужных значений»,— прокомментировала Алена Шилова, старший преподаватель кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Тестирование проходило следующим образом. Сначала оборудование настроили так же, как работает реальная газотурбинная установка. Далее ученые включили подогреватель и начали постепенно увеличивать температуру топлива. Все остальные параметры (количество воздуха, конструкция камеры) оставались неизменными, чтобы результат зависел только от подогрева газа.

На основе проведенных опытов ученые разработали инженерную методику. Она включает в себя расчеты, по которым можно заранее определить, сколько вредных веществ будет выбрасывать установка при заданной температуре топлива. Кроме того, они вывели конкретные цифры, на которые инженер может опираться при применении технологии. Если показатели работы установки попадают в эти диапазоны, значит, пламя устойчиво, а топливо сгорает полностью.

Теперь любой инженер может воспользоваться этой методикой, когда нужно настроить существующую установку под конкретный газ. Он анализирует состав топлива (измеряет, сколько в нем процентов метана, азота и других примесей), подставляет эти данные в готовые расчеты и узнает, до какой температуры нужно греть газ и сколько его должно быть, чтобы установка работала стабильно и с низкими выбросами.

Технология позволяет превращать малые газотурбинные установки в компактные электростанции, способные стабильно работать на газах разного состава. Вместо того чтобы выбрасывать ценное сырье в атмосферу, его теперь можно превращать в электричество и тепло прямо на месте — для нефтяников, энергетиков, МЧС и любых объектов, где свет и тепло нужны здесь и сейчас.

Роман Бульбович, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы ПНИПУ», доктор технических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— В чем заключается главное противоречие между огромными объемами попутного нефтяного газа (ПНГ) и отсутствием его эффективной утилизации в удаленных регионах?

— Ключевая проблема заключается в том, что попутный нефтяной газ, являясь ценным энергетическим ресурсом, не всегда может быть эффективно использован в удаленных районах добычи. Основным препятствием становится отсутствие необходимой инфраструктуры: газопроводов, объектов переработки и энергетических комплексов. В результате часть добываемого газа вынужденно сжигается на факельных установках или теряется в ходе технологических процессов, хотя при рациональном подходе он может быть использован для обеспечения месторождения собственной электрической и тепловой энергией.

Наиболее остро данная проблема проявляется на малодебитных месторождениях, где объемы доступного газа и потребности в энергии сравнительно невелики — обычно на уровне сотен киловатт. В таких условиях применение крупных энергетических установок оказывается неоправданным с экономической точки зрения. Одним из перспективных решений является использование газотурбинных установок малой мощности, которые позволяют перерабатывать попутный нефтяной газ непосредственно на месте добычи и превращать его в полезную энергию.

— Почему классические газотурбинные установки не справляются с топливом, содержащим примеси, и к каким негативным последствиям это приводит (износ оборудования, нестабильность горения)?

— Традиционные газотурбинные установки, как правило, проектируются для работы на природном газе с постоянными характеристиками и стабильным составом. Однако попутный нефтяной газ имеет более сложную и изменчивую структуру: в его состав могут входить метан, тяжелые углеводороды, азот, углекислый газ, сероводород и другие примеси.

Наличие негорючих компонентов снижает энергетическую ценность топлива и влияет на условия стабильного протекания процесса горения. Это может приводить к возникновению ряда проблем при эксплуатации ГТУ, включая нестабильность пламени, вероятность срыва горения, появление вибрационных процессов, увеличение механических и тепловых нагрузок на элементы оборудования, а также рост количества продуктов неполного сгорания.

Дополнительным фактором является присутствие серосодержащих соединений, которые при сгорании способствуют образованию оксидов серы. Эти соединения способны усиливать коррозионное воздействие на высокотемпературные компоненты газотурбинной установки и снижать надежность ее работы.

— В чем принципиальное отличие подхода пермских ученых от традиционной схемы сжигания и почему предварительный подогрев именно топлива обеспечивает устойчивое горение?

— В традиционных энергетических схемах устойчивость процесса горения обычно обеспечивается за счет формирования высокотемпературной зоны с близким к стехиометрическому составом смеси, после чего продукты сгорания дополнительно разбавляются воздухом для снижения температуры.

В рассматриваемом подходе предлагается использовать принцип низкотемпературного горения обедненной топливовоздушной смеси с предварительным подогревом ее компонентов, в первую очередь топливного газа. Такой способ повышает реакционную способность топлива, расширяет диапазон устойчивого горения и создает возможность эффективного использования более бедных смесей.

Физическая сущность данного процесса заключается в том, что предварительно нагретая смесь обладает большей готовностью к протеканию химических реакций: для поддержания горения требуется меньшее количество дополнительной энергии, увеличивается скорость реакции и снижается вероятность потери устойчивости или полного затухания пламени.

— Насколько корректно экстраполировать результаты эксперимента, проведенного на чистом природном газе, на реальный попутный газ со сложным составом примесей?

— Прямое применение результатов экспериментов для всех составов попутного нефтяного газа является некорректным. Разработанная методика учитывает влияние изменения характеристик ПНГ, включая содержание горючих компонентов, наличие инертных примесей и изменение теплотворной способности газа.

В рамках исследования применялись комплексные методы анализа, включающие расчет определения концентрационных границ устойчивого горения, моделирование термогазодинамических параметров процесса и экспериментальную оценку устойчивости горения.

Полученные экспериментальные результаты используются не как универсальные значения для всех видов газового топлива, а как инструмент проверки и подтверждения адекватности разработанной расчетной модели.

— Что представляет собой разработанная инженерная методика — универсальный алгоритм или набор индивидуальных расчетов для каждого состава газа?

— Предлагаемая методика представляет собой универсальный расчетно-инженерный подход, который может применяться для различных составов газового топлива, при этом предусматривая индивидуальную адаптацию под характеристики конкретного газа.

Алгоритм расчета включает несколько последовательных этапов: определение компонентного состава и теплотворной способности топлива, расчет концентрационных границ устойчивого горения, выбор параметров подачи топлива и воздуха, анализ устойчивости процесса горения, а также оценку уровня образования выбросов.

Сама методика имеет общий характер и может использоваться для различных условий эксплуатации, однако ее исходные параметры должны формироваться с учетом особенностей конкретного месторождения и фактического состава попутного нефтяного газа.

— Какие конкретные вредные выбросы (оксиды азота, сероводород и др.) сократятся при использовании технологии и как это повлияет на экологию и здоровье населения?

— Основной экологический эффект предлагаемого подхода заключается в снижении уровня вредных выбросов, включая оксиды азота (NOx), угарный газ (CO) и несгоревшие углеводороды (CnHm).

Использование низкотемпературного горения обедненной топливовоздушной смеси позволяет снизить максимальные температуры в зоне реакции, что способствует уменьшению образования термических оксидов азота. Одновременно повышение полноты сгорания топлива приводит к сокращению количества продуктов неполного окисления, включая выбросы CO и остаточных углеводородов.

Для удаленных районов эксплуатации это имеет особое значение, поскольку снижение концентрации вредных компонентов в продуктах сгорания позволяет уменьшить воздействие энергетических объектов на качество атмосферного воздуха и повысить экологическую безопасность при использовании попутного нефтяного газа.

— Можно ли считать эту разработку шагом к зеленой энергетике или она лишь снижает вред на переходном этапе, продолжая сжигать углеводороды?

— Данную разработку следует рассматривать не как полноценное направление зеленой энергетики, а как технологию повышения экологической эффективности традиционных энергетических систем.

Ее применение не исключает использования углеводородного топлива, однако позволяет более рационально использовать имеющиеся ресурсы за счет повышения эффективности преобразования энергии, сокращения объемов факельного сжигания попутного нефтяного газа и снижения выбросов вредных компонентов продуктов сгорания.

Предлагаемая технология направлена на замену менее эффективных и неконтролируемых процессов сжигания более управляемым и эффективным способом использования углеводородного сырья. Это позволяет рассматривать ее как промежуточный этап перехода к более экологичным энергетическим решениям и рациональному освоению ресурсов.

— Какие фундаментальные физико-химические процессы происходят с газом при подогреве, которые позволяют ему сгорать полнее и стабильнее, и как ученые смоделировали эти процессы в своей методике?

— При подогреве топлива изменяются условия протекания процесса горения. Повышение температуры топливовоздушной смеси способствует увеличению скорости химических реакций окисления, снижает вероятность затухания пламени и расширяет диапазон устойчивого воспламенения. Кроме того, изменение начальных параметров смеси влияет на распределение температур в камере сгорания, что отражается на характере протекания рабочего процесса и его экологических характеристиках.

В рамках разработанной методики данные процессы учитывались с помощью комплекса расчетных и экспериментальных подходов, включающих определение концентрационных границ устойчивого горения, использование реакторных моделей камеры сгорания, термодинамическое моделирование работы газотурбинной установки и анализ эмиссионных показателей.

Подогрев топлива рассматривается не только как способ повышения устойчивости горения, но и как инструмент управления параметрами рабочего процесса ГТУ при использовании газов с изменяющимся составом.

— Каковы следующие шаги для внедрения разработки — требуются ли опытно-промышленные испытания на реальных месторождениях и какие научные задачи предстоит решить для адаптации технологии к различным типам примесей?

— Следующим этапом развития исследования должны стать опытно-промышленные испытания газотурбинной установки в условиях реальных месторождений с использованием фактического состава попутного нефтяного газа.

Основными научными задачами на данном этапе являются адаптация разработанной модели к различным составам топлива с учетом содержания азота, углекислого газа, сероводорода и тяжелых углеводородных компонентов, определение оптимальных и допустимых температурных режимов подогрева газа, а также оценка надежности и эффективности длительной эксплуатации оборудования.

Особое внимание необходимо уделить изучению влияния примесей, содержащихся в ПНГ, на ресурс и техническое состояние ключевых элементов установки — камеры сгорания и газовой турбины. Полученные результаты позволят уточнить расчетные модели и определить условия практического применения технологии на различных типах месторождений.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки