The Method of Utilization of Associated Petroleum Gas with High Nitrogen Content in the Fields of the Udmurt Republic

Chernov I.A., Didenko V.N.

Abstract


The paper presents the results of a study on the topical problem of utilization of associated petroleum gas (APG) in the oil fields of the Udmurt Republic (UR), where APG contains up to 90% of nitrogen and therefore has a calorific value of 4...5 times less than that of natural gas. Objectives of the study are: selection of APG utilization method in relation to conditions of UR; analysis of ways and means of technical implementation of the selected method of APG utilization; feasibility study of the adopted method or installation for utilization of APG. Based on the analysis of the applicability of existing APG utilization methods to the UR fields, a combustion method in cogeneration plants with the production of electricity is chosen. The comparative analysis is performed for the characteristics of two types of cogeneration plants (power stations) allowing the combustion of APG with a combustion heat of less than 8.0 MJ/m3: gas turbine units (GTU) of the American firm "Capstone" and gas piston units (GPU) of the Russian company "GazEcos". The main technical advantages of the GPU under consideration are: no booster compressor; a lower cost of installation at the same power; the possibility of using gaseous fuel with a heat of combustion from 4.19 MJ / m3; import substitution. The results of calculating the discounted payback period chosen by the GPU, supporting its advantage, are presented.

Keywords


associated petroleum gas; utilization; cogeneration; gas turbine unit; gas piston installation; feasibility study

Full Text

Утилизация попутного нефтяного газа (ПНГ) - одна из проблем России в нефтяной отрасли, которая является мировым лидером по объемам бесполезного сжигания ПНГ в факелах [1]. По этой причине принято постановление Правительства Российской Федерации (РФ) [2] о сроках доведения уровня использования ПНГ до среднемировых, т. е. до 95 %, начиная с 2012 г. В табл. 1 приведены существующие методы утилизации ПНГ [3-6]. Таблица 1. Преимущества и недостатки известных методов утилизации ПНГ Способ утилизации ПНГ Преимущества Недостатки Закачка в пласт с целью увеличения дебита скважин · Выполнение постановления Правительства РФ [7] · Отсутствие вредных выбросов в атмосферу · Высокая стоимость оборудования · Сложность технологии · Угроза просадки почвы в местах закачки ПНГ Использование в качестве сырья для нефтехимических предприятий · Выполнение постановления Правительства РФ [8] · Получение продуктов нефтехимии · Высокая стоимость оборудования и сложность технологических процессов · Необходимость транспортировки ПНГ на значительные расстояния до нефтехимических предприятий · Вредные выбросы предприятий Сжигание в печах и путевых подогревателях · Выполнение постановления Правительства РФ [9] · Получение тепловой энергии для технологических нужд и инфраструктуры · Проблемы с горючестью в случае низкой теплоты сгорания · Ограничение объемов сжигаемого ПНГ существующей инфраструктурой месторождения · Вредные выбросы при сжигании (NOx) Сжигание в когенерационных установках · Выполнение постановления Правительства РФ [10] · Совместная выработка тепловой и электрической энергии · Проблемы с горючестью в случае низкой теплоты сгорания · Высокая техническая сложность и стоимость оборудования · Проблемы надежности и сложности в эксплуатации · Вредные выбросы при сжигании Сжигание в факелах · Относительно других методов низкая стоимость оборудования и технологическая простота исполнения · Меньшее содержание NOx по сравнению с сжиганием в других установках · Законодательное ограничение объемов сжигания ПНГ (до 5 %) · Экологические проблемы (вредные выбросыСО2, N2, NO2) · Проблемы со стабилизацией пламени из-за низкой теплоты и скорости сгорания ПНГ На некоторых месторождениях нефти Удмуртской Республики утилизация ПНГ затруднена из-за низкой теплоты сгорания газа (8,00 МДж/м3), обусловленной сильной забалластированностью его азотом (до 90 % по объемному составу). Исследования проводились для ПНГ, состав которого представлен в табл. 2. Таблица 2. Состав ПНГ с высоким содержанием азота Компонент газа СН4 С2H6 С3H8 С4H10 С5Н12 С6Н14 H2S СО2 N2 О 2 ∑ Состав, % по объему 4,18 2,04 2,31 1,45 0,65 0,2 0 0,03 89,03 0,11 100 В расчетах принималось: низшая теплота сгорания - МДж/м3 [11]; избыточное давление ПНГ - Ризб. = 0,01 МПа; дебит ПНГ - 12000 м3/сут. До последнего времени считалось, что ПНГ с такой теплотой сгорания является негорючим [12], но расчеты авторов [13] показали его горючесть, что впоследствии было подтверждено на практике специалистами нефтедобывающей компании. Основными задачами исследования являлись: 1. Выбор метода утилизации низкокалорийного ПНГ с высоким содержанием азота на месторождениях Удмуртской Республики. 2. Анализ путей и способов технической реализации выбранного метода утилизации ПНГ. 3. Краткое технико-экономическое обоснование принятого способа или установки для утилизации ПНГ. Из анализа табл. 1 следует, что при отсутствии развитой инфраструктуры на нефтяных месторождениях УР и отсутствии предприятий нефтехимии наиболее перспективным методом утилизации ПНГ на сегодняшний день, применительно к УР следует считать сжигание ПНГ в когенерационных установках с преимущественным получением электроэнергии. Авторами проведен сравнительный анализ двух способов реализации метода когенерации: · сжигание ПНГ с низкой теплотой сгорания в газотурбинных установках (ГТУ); · сжигание ПНГ с низкой теплотой сгорания в газопоршневых установках (ГПУ). Обзор существующих ГТУ показал, что большинство из них использует газ с высокой теплотой сгорания, значительно превышающей теплоту сгорания рассматриваемого ПНГ. Исключение составляют только микротурбины фирмы «Capstone», в конструкции которых используются воздушные подшипники. В работе [14] для этих турбин приводится минимальное значение МДж/м3, но в паспортных данных [15] указывается другое минимальное значение - МДж/м3. Таким образом, нет полной уверенности в том, что микротурбины «Capstone» будут работать на газе с низшей теплотой сгорания МДж/м3. Газотурбинных установок российского производства, аналогичных «Capstone», в настоящее время нет. Далее рассматривались отечественные ГПУ, способные работать на ПНГ с теплотой сгорания МДж/м3. В результате проведенного анализа рынка когенерационных установок и электростанций наиболее подходящей была признана ГПУ на основе двигателя «MAN» производства российской фирмы «GazEcos» [16]. (Существуют аналоги данной установки на основе двигателя «ЯМЗ» [17], но для рассматриваемого ПНГ этот аналог проигрывает по ресурсу работы до капитального ремонта.) В табл. 3 приведены сравнительные характеристики ГТУ американской фирмы «Capstone» и ГПУ российской фирмы «GazEcos». Таблица 3. Сравнительные характеристики ГТУ Capstone C30, Capstone C200 и ГПУ GazEcos MAN 200 кВт Установки Параметры установок ГТУ ГПУ GazEcos MAN 200 кВт Capstone C30 Capstone С200 Варианты исполнения Модульное Модульное Открытое В контейнере Номинальная электрическая мощность, кВт 30 200 200 Диапазон рабочего напряжения, В 380-480 380-480 400 Частота тока, Гц 50 50 50 Вес, кг 578 3180-3640 Открытое - 4210 В контейнере - 6610 Габариты (длина ´ ширина ´ высота), мм 1516 ´ 762 ´ 1943 3660 ´ 1700 ´ 2490 Открытого 3500 ´ 1400 ´ 2240 В контейнере 5000 ´ 2200 ´ 2350 Вид топлива Газообразное топливо, керосин, дизель Газообразное топливо, керосин, дизель Газообразное топливо (природный, нефтяной попутный и пр.) Рабочее избыточное давление топлива на входе, бар 3,6 0,025-0,05 Необходимость установки дожимного компрессора при низших значениях избыточного давления Да Да Нет Окончание табл. 3 Установки Параметры установок ГТУ ГПУ GazEcos MAN 200 кВт Capstone C30 Capstone С200 Минимальное значение , декларируемое производителем, МДж/м3 10 10 4,19 Расход газообразного топлива с =7,92 МДж/м3 при номинальной нагрузке, нм3/ч 52 282 250 Ресурс до капитального ремонта, ч 60 000 60 000 50 000 - 60 000 Страна-производитель США США Российская Федерация Стоимость одной установки под ключ, руб. 7 150 000 35 000 000 Открытого 7 620 000 В контейнере 8 500 000 Необходимое количество установок 10 2 2 Анализ (табл. 3) показывает следующие серьезные преимущества ГПУ GazEcos MAN 200кВт: · нет необходимости в установке дожимного компрессора; · меньшая стоимость установки при одинаковой мощности; · возможность использования газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (минимальное значение = 4,19 МДж/м3); · импортозамещение. В табл. 4 представлены некоторые результаты технико-экономического обоснования применения данной газопоршневой установки. Таблица 4. Результаты технико-экономического обоснования применения газопоршневой установки производства «GazEcos» мощностью 200 кВт на основе двигателя «MAN» для электрогенерации при сжигании ПНГ с высоким содержанием азота (89,03 %) Период, год Параметр 1 2 Стоимость проекта под ключ с подключением коммуникаций, руб. 17 000 000 Номинальная мощность, кВт. 370 Количество выработанной энергии в год, кВт×ч. 3 236 760 Затраты на ТО 1 установки в ценах 2016 г, руб. 25 000 32 000 Суммарные затраты на ТО в ценах 2016 г, руб. 50 000 64 000 Прочие расходы, руб. 5 000 6 400 Годовые эксплуатационные расходы, руб. 55 000 70 400 Экономия на электроснабжении в год, руб. 10 422 367,20 10 943 485,56 Экономия за невыплату штрафов в год, руб. 716 000 Чистый денежный поток, NCF, руб. 11 083 367 11 589 086 Ставка дисконтирования, % 15,8 15,8 Дисконтированный денежный поток, PV, руб. 9 571 129 8 642 354 Накопительный дисконт. денежный поток, руб. 9 571 129 18 213 483 Чистый дисконтированный доход, NPV, руб -7 428 871 1 213 483 Из табл. 4 следует, что применение ГПУ «GazEcos» MAN 200 кВт для утилизации ПНГ с содержанием азота (N2≈ 90 %) окупится меньше чем за 2 года, что является приемлемым и благоприятным показателем для инвестиций.

Galleys

PDF (Русский)
References References

Утилизация попутного нефтяного газа. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.zaopolycom.ru/project/ util.html (дата обращения: 01.02.2016).

Постановление Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 № 7.

ГРАСИС. Переработка попутного нефтяного газа [Электронный ресурс]. - URL: http://www.grasys.ru/ processing_of_associated_petroleum_gas (дата обращения: 20.11.2016).

Утилизация попутного нефтяного газа [Электронный ресурс]. - URL: http://gazsurf.com/ru/stati/item/utilizatsiya-poputnogo-neftyanogo-gaza0/ (дата обращения: 11.12.2016).

Производственное оборудование и технологии «Промышленность России». Попутный нефтяной газ - его свойства и причины угрозы [Электронный ресурс]. - URL: http://hromax.ru/utilizaciya_poputnogo_neftyanogo_gaza.html/ (дата обращения: 25.12.2016).

Попутный нефтяной газ: состав. Природный и попутный нефтяной газ. [Электронный ресурс]. - URL: http://fb.ru/article/177498/poputnyiy-neftyanoy-gaz-sostav-prirodnyiy-i-poputnyiy-neftyanoy-gaz/ (дата обращения: 25.12.2016).

Постановление Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 № 7.

Там же.

Там же.

Там же.

Ахмадишин И. И., Запасов Р. А., Чернов И. А. Оценка горючести попутного нефтяного газа с большим содержание азота // Энергоресурсосбережение в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и агропромышленном комплексе [Электронный ресурс]: электрон. науч. изд. : матер. регион. науч.-практ. семинара / ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова». - Ижевск : ИННОВА, 2016. - С. 272-277. DOI: 62.624/978-5-9906851-6-1-2016-272-277.

Утилизация попутного нефтяного газа. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.zaopolycom.ru/project/ util.html (дата обращения: 01.02.2016).

Ахмадишин И. И., Запасов Р. А., Чернов И. А. Оценка горючести попутного нефтяного газа с большим содержание. С. 272-277.

Козлов П. А. Опыт внедрения технологий утилизации ПНГ на основе микротурбин на нефтегазовых объектах: примеры и результаты // Нефть. Газ. Новации : науч.-техн. журнал [Электронный ресурс]. - 2014. - № 8 - URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=22762562. - С. 63-67. DOI:665.612.2:579.222.2/2077-5423-2014-8-63-67.

Capstone Turbine Corporation. Распределительные энергетические системы. [Электронный ресурс]. - URL: http://capstone.ru/(дата обращения: 11.11.2016).

GazEcos. Газопоршневые установки (газовые электростанции): проектирование, производство, установка [Электронный ресурс]. - URL: http://www.gazecos.ru/ (дата обращения: 11.11.2016).

Там же.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2410-9304-2017-2-131-134

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2017 Чернов И.А., Диденко В.Н.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN 1813-7911