Способ экологически чистого горения углеводородных флюидов и устройство для его реализации

Способ экологически чистого горения углеводородных флюидов и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в основном относится к подготовке скважинных флюидов к их утилизации, более конкретно - к устройству и способу экологически чистого горения с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем для сжигания скважинных флюидов с целью их утилизации.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В настоящее время при проведении гидродинамических испытаний скважин образуется значительное количество загрязненного скважинного флюида, который подлежит утилизации. Такой загрязненный скважинный флюид обычно включает смесь нефти, углеводородного газа и воды, при этом он может содержать мелкие частицы, токсичные газы, такие как сероводород, а также присадки к буровому раствору и жидкости для очистки скважин. Основной метод обработки такого флюида с целью его последующей утилизации состоит в сепарации его водного компонента от жидкости и последующей раздельной утилизации его компонентов - углеводородного газа и нефти. Инфраструктура на морских буровых платформах часто является недостаточно развитой для переработки и транспортировки нефти и других углеводородных компонентов, полученных из загрязненного флюида, с целью его дальнейшего использования. В связи с этим нефть и углеводородный газ, сепарированные из загрязненного флюида, часто утилизируют путем сжигания. Однако вследствие того, что выделенные нефть и газ после сепарации все еще могут содержать значительное количество воды, мелких частиц, невоспламеняющихся химических добавок и токсичных газов, то сжигание таких нефтяных и газовых компонентов сложно обеспечить, поскольку их горение сопровождается выделением значительного количества опасных химических веществ, сильным шумом, а также выделением большого количеств тепла, что негативно влияет на окружающую среду и условия труда персонала. Таким образом, уровень загрязнения окружающей среды непосредственно связан с эффективностью и полнотой протекания процессов сжигания, применяемых для утилизации сепарированных нефти и газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Изобретение, иллюстрированное различными примерами осуществления, предназначено для решения приведенных выше, а также прочих потребностей и проблем, представляет собой горелочную систему и метод эффективного сжигания загрязненных углеводородов (например, сухого газа, влажного или ретроградного газа, водонефтяных смесей и т.д.), образующихся в процессе гидродинамических испытаний скважин, при этом эффективное и чистое горение достигается путем принудительного нагнетания воздуха. Новая система обеспечивает интенсивную подачу воздуха с его предварительным смешиванием с газообразными или распыленными углеводородными отходами, эжекцию данной обогащенной топливом смеси в атмосферу через форсунку и ее сгорание в открытом пламени. Приток воздуха обеспечивается воздушным винтом, который приводится в движение газотурбинным двигателем, при этом двигатель может работать за счет топлива, полученного в процессе сепарации лучшей части скважинного флюида в процессе гидродинамического испытания скважины. Преимущество заключается в том, что в большинстве случаев снабжение топливом и приведение в движение системы осуществляется за счет скважинного флюида (например, которое служит в этом случае в качестве загрязненного топлива). Предварительное смешивание воздуха с таким загрязненным топливом обеспечивает лучшее качество пламени (например, малое выделение дыма и низкое тепловое излучение). Дополнительным преимуществом является то, что новая система объединяет двигатель, воздушный винт и камеру сгорания в единую установку, установленную на стреле или платформе, причем в системе легко может быть использован существующий газотурбинный агрегат, произведенный авиационной промышленностью. Кроме того, применяемый авиационный двигатель (например, российский турбовинтовой двигатель российского облегченного самолета АН-24, мощность которого составляет приблизительно 2000 л.с., а вес приблизительно 600 кг; российский турбовальный двигатель ТУ-2117ТГ популярного российского вертолета Ми-8 мощностью приблизительно 1000 л.с. и весом приблизительно 300 кг и т.д.) обладает достаточной мощностью для создания интенсивного потока воздуха, необходимого для чистого горения особо загрязненного топлива.

[0004] Соответственно, в качестве примера осуществления настоящего изобретения здесь представлена система и метод чистого сжигания загрязненных углеводородных флюидов, включающих газообразные, жидкие или газожидкостные потоки, образующиеся в процессе гидродинамических испытаний скважин; включающая подачу топлива, которая поставляет загрязненные углеводородные флюиды и запасное углеводородное топливо; соединенное с ним топливораспределительному устройство, и подключенный к топливораспределительному устройству газотурбинный двигатель, работающий на запасном углеводородном топливе или на загрязненных углеводородных флюидах, либо на их комбинации. Воздушный винт, установленный на валу, нагнетает воздух в камеру предварительного смешения. Набор форсунок камеры предварительного смешения соединен с топливораспределительным устройством и обеспечивает распыление загрязненных углеводородных флюидов в поток нагнетаемого воздушным винтом воздуха, направленного к укрепленному в камере ниже по потоку запальному устройству. Горелочная насадка, соединенная с нижним по потоку концом камеры предварительного смешения, формирует и направляет образующееся пламя. Блок управления соединен с топливораспределительным устройством, регулирующими элементами газотурбинного двигателя и датчиками обратной связи для управления системой.

[0005] Кроме того, другие аспекты, особенности и преимущества настоящего изобретения явно и без труда вытекают из приведенного в настоящем документе описания, включая фигуры, которые иллюстрируют ряд возможных примеров его осуществления и внедрения. Настоящее изобретение также может быть воплощено в других вариантах осуществления, а некоторые из его характеристик могут быть изменены, но без отступления от объема и сущности настоящего изобретения. Соответственно, фигуры и описания должны рассматриваться исключительно как приведенные для иллюстрации, а не как ограничения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

[0006] Варианты осуществления настоящего изобретения представлены на прилагаемых фигурах исключительно в качестве примера, а не в ограничение, при этом на фигурах номера позиций соответствуют аналогичным элементам, в которых:

[0007] Фиг.1 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем;

[0008] Фиг.2 иллюстрирует еще один пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем;

[0009] Фиг.3 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха турбовальным двигателем;

[0010] Фиг.4 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха и имеющего камеру предварительного смешения с воздушными заслонками;

[0011] Фиг.5 иллюстрирует пример экологически чистого горелочного устройства с нагнетанием воздуха и имеющего многотрубную камеру предварительного смешения и сопло;

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Настоящее описание изобретения включает в себя признание того, что при проведении работ по гидродинамическому испытанию скважин возникает серьезная проблема утилизации флюида, образующегося в ходе данных тестировочных работ. Эти флюиды могут содержать нефть, газ, воду, мелкодисперсные частицы, присадки к буровому раствору или жидкости для очистки скважин и т.д. Часто на морских платформах на стадии поисково-разведочных работ отсутствует необходимая трубопроводная инфраструктура, предназначенная для обработки и транспортировки загрязненных углеводородов и тому подобного для последующего использования. Преимуществом примеров осуществления настоящего изобретения является простая и эффективная система и метод утилизации углеводородов на объекте посредством их сжигания экологически чистым способом.

[0013] Настоящее описание изобретения дальше включает признание того, что продолжительность присутствия углеводородов во время их сжигания на объекте составляет от нескольких часов до нескольких дней. Таким образом, проблема чистого сгорания на морских платформах отличается от проблемы сжигания отработанного газа на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Кроме того, при гидродинамических испытаниях нефтегазовых скважин состав загрязненного топлива может сильно варьироваться, что особенно критично, если содержание воды (обводнение) слишком велико для эффективного сгорания (например, без образования дыма и выпадения несгоревших углеводородов). Также в скважинах с преобладанием нефти могут появиться жидкостные и газовые пробки. Более того, расход жидкостей и газов, отводимых из скважины, изначально нестабилен вследствие переходных процессов, имеющих место при гидродинамических испытаниях скважин, что приводит к дальнейшим проблемам с утилизацией. В отличие от НПЗ, содержание газа на морских платформах непредсказуемо, меняется со временем и может включать значительные количества коррозионно-агрессивных газов, например, H2S, CO2, капли воды, капли нефти и т.д.

[0014] Другой серьезной проблемой эффективного сжигания углеводородов на морских платформах является обеспечение безопасных и чистых условий труда для персонала. Например, большие факелы газа или нефти создают сильный шум, выделение тепла и загрязнение окружающей среды, когда в пламени несбалансированно отношение окислитель/горючее. Для снижения подобных негативных эффектов горелка открытого пламени может быть установлена на длинной стреле для того чтобы удалить ее как можно дальше от платформы. Кроме того, возможно использование системы распыления воды на стреле, для того чтобы создать водяную завесу позади нефтяной/газовой горелки и защитить платформу от избыточного теплового излучения (например, излучение тепла от нефтяного/газового пламени может достигать нескольких десятков кВт/м2).

[0015] Существует несколько технологий утилизации углеводородных флюидов. Например, первое разработанное и коммерциализованное устройство компании «Шлюмберже» - SeaDragon™ было введено в эксплуатацию в 1971 году. Это был крупный прорыв в оказании услуг по гидродинамическому испытанию скважин, оказавший значительное влияние на экологичность проведения работ.

[0016] Горелка EverGreen™ производства компании «Шлюмберже», разработанная в 1991 году, была предназначена для минимизации экологического ущерба посредством достижения более полного сжигания и расширением номенклатуры скважин, пригодных для испытаний. При этой технологии скважинные жидкость и газ сепарируются друг от друга в трехфазном сепараторе, предназначенном для гидродинамических испытаний скважин, а газ сжигается на факеле с использованием обычного оголовка газовой горелки. Горелка для гидродинамических испытаний скважин EverGreen™ может применяться для сжигания нефти, содержащей остаточную воду.

[0017] Также экологически чистые гидродинамические испытания скважин проводились с применением многофазного расходомера (например, PhaseTester™ компании «Шлюмберже»). Поскольку данный тип расходомера работает на малом перепаде давления, его применение не требует газофазного сепаратора. Жидкости и газы, отводимые из скважины на стадиях ее испытания и эксплуатации, могут подаваться в трубопроводную систему. Данный подход позволяет снизить факельное сжигание газа на 60% (см., например, Y. El-Khazindar, M. Ramzi Darwish, A. Tengirsek, "Environmentally Friendly Well Testing," SPE 74106). Однако такой метод полного сокращения факельного сжигания газа не решает проблему утилизации жидкости при гидродинамических испытаниях морских скважин, поскольку информация о составе флюида не используется для управления процессом сжигания нефти.

[0018] Другой метод для утилизации углеводородов при гидродинамических испытаниях скважин, недавно разработанный компанией «Шлюмберже», предусматривает: (1) сепарацию многофазного потока из скважины на газовый и жидкий компоненты с дальнейшей подачей газового компонента на вход газовой горелки, (2) направление водно-нефтяной смеси в многофазный расходомер, который регистрирует данные фазового состава смеси жидкостей в режиме реального времени и передает итоговую информацию о содержании воды (т.е. обводнении) на программируемый контроллер. На основе информации о составе жидкости, получаемой в режиме реального времени, можно регулировать подачу флюида на сжигание путем добавления дополнительного количества топлива из резерва. Если обводнение слишком велико, контроллер перенаправляет жидкость с нефтяной горелки в отводящий трубопровод. Такая система представляет собой «интеллектуальную горелку», которая оптимизирует сжигание на открытом воздухе с целью минимизации выбросов сажистого дыма и других опасных экологических выбросов. Также данная система расширяет границы функционирования горелки в условиях обводнения «загрязненного топлива». Тем не менее, такая система при гидродинамических испытаниях скважин для сжигания нефти требует наличия отдельного воздушного компрессора, который занимает ценную площадь на морской платформе и потребляет электроэнергию. Хотя воздушный компрессор управляется центральным процессором, инерция компрессора и колебания подачи загрязненного топлива, имеющие место при опробовании скважин, могут препятствовать обеспечению режима бездымного сжигания даже при использовании «интеллектуальной горелки». Более того, «интеллектуальная горелка» предназначена для сжигания в основном жидкофазного загрязненного флюида, в то время как газовый компонент сжигается в типичных оголовках газового факела, и обладает всеми недостатками газовых горелок, работающих на открытом воздухе.

[0019] Что касается горелок для сжигания газа в морских условиях, имеется много модификаций «газовых факельных установок» (см., например, серию факельных установок производства John Zink Company, США). Такие горелки, однако, в основном предназначены для промышленного использования. Особая конструкция факельных оголовков, использующее распыление воды и нагнетание водяного пара в пламя, дает изготовителям возможность проектировать данные факельные установки с пониженным уровнем задымления, шума и теплового излучения, значительно снижая, таким образом, длину стрелы. Однако если попутный газ содержит большое количество воды или состав нефтесодержащего флюида меняется значительно и слишком быстро, чистота горения таких факелов значительно снижается. Чистота процесса горения при гидродинамическом испытании скважин требует поддержания отношения воздух/топливо, близкого к оптимальному, и кроме того, расход воздуха для горения должен быть достаточно высоким.

[0020] Преимуществом примеров осуществления настоящего изобретения является универсальность горелки способной сжигать углеводороды, и газы содержащих некоторое количество жидкости (например, водонефтяные смеси, газ, газовые конденсаты и т.д.), которая надежно функционирует в широком диапазоне уровней расхода и состава загрязненных топлив. Описанная в примерах универсальная горелка также характеризуется малошумной работой, низким уровнем теплового потока на платформу и нечувствительностью к ветру при эксплуатации на морской платформе.

[0021] Идея использования энергии газообразных продуктов сгорания для подачи воздушного потока к другим частям установки получила широкое распространение. Например, в автомобильной промышленности кинетическая энергия горячих выхлопных газов приводит в действие специальную турбину. Такая высокоскоростная турбина устанавливается на одном валу с воздушным компрессором. Вращая вал воздушного компрессора, горячие газы инициируют сильный поток воздуха из воздушного фильтра к входному отверстию системы впуска воздуха (например, это называется «турбонаддувом»). Таким образом, использованная кинетическая энергия выхлопных газов увеличивает подачу воздуха к двигателю внутреннего сгорания.

[0022] Система, описанная в заявке на патент РФ RU 2093416, включает безопасную систему генерации тепла для наддува воздушного шара высокоскоростным потоком горячего воздуха. В состав теплогенератора входит вентилятор, камера сгорания с форсунками, подключенными к баллону с топливным газом, и смеситель для заполнения оболочки монгольфьера смесью воздуха и горючих газообразных продуктов. При этом смесь подается с помощью вентилятора, а вентилятор, компрессор и турбина механически связаны между собой. Камера сгорания расположена ниже по потоку компрессора и перед турбиной, при этом турбина установлена на ободе вентилятора и снимает только часть мощности. Компрессор может быть нагнетательного типа. Лопасти компрессора и турбины установлены на едином вращающемся валу. Такая конструкция создает высокоскоростной поток горячего воздуха за счет энергии сжигаемого газового топлива (без негативного влияния на безопасность полета). Тем не менее, такая система не может применяться для сжигания влажного или ретроградного газа.

[0023] Соответственно, примерные варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой устройство полного сжигания загрязненного топлива в открытом пламени, которое может работать в широком диапазоне составов добываемых газа и нефти, а также сжигать загрязненное топливо, оно нечувствительно к погодным условиям, обеспечивает приемлемые уровни шума и теплового излучения от открытого пламени и адаптировано для применения на морских платформах и т.д. В контексте настоящего описания изобретения, термин «загрязненное топливо» может содержать смесь сложного состава, которая меняется от скважины к скважине, при этом такое загрязненное топливо включает необходимое количество углеводородов для поддержания стабильного пламени на открытом воздухе.

[0024] Обратимся теперь к фигурам, где номера позиций обозначают идентичные или соответствующие части в различных видах, более конкретно - к Фиг.1 самому по себе, на нем показано экологически чистое горелочное устройство 100 с нагнетанием воздуха. На Фиг.1 система 100 включает: газотурбинный двигатель 1 (например, турбовальный, турбовинтовой, турбовентиляторный и т.д.), воздухозаборник двигателя 2, воздушный винт 3 (например, вентиляторные лопатки), кожух 4 камеры смешения 7, форсунку в сборе 5, запальное устройство 6, камеру предварительного смешения воздуха и топлива 7, устройство распыления топлива 8 в камере смешения 7, предохранительную сетку 9 воздухозаборника, пламя 10, топливораспределительное устройство 11 для газообразного и жидкого топлива (например, манифольд с набором топливных форсунок), блок управления (БУ) 12, датчик отношения кислород/топливо 13 в камере смешения 7, датчик наличия пламени 14, вход загрязненного топлива 15, трубопровод 16 для подачи топлива к газотурбинному двигателю 1, трубопровод 17 для подачи топлива в камеру предварительного смешения 7, трубопровод 18 для подачи газового топлива на запальное устройство 6, линию связи 19 между блоком управления 12 и топливораспределительным устройством 11, линию связи 20 между блоком управления 12 и регуляторами газотурбинного двигателя, линию связи 21 между блоком управления 12 и запальным устройством 6, линию связи 22 от датчика 13 до блока управления 12, линию связи 23 между датчиком 14 и блоком управления 12, и впуск топлива для двигателя 27.

[0025] Преимуществом примеров горелочного устройства 100 является возможность работы с различными видами топлива, в том числе с загрязненным топливом, используемым для функционирования газотурбинного двигателя 1, который приводит в действие вал и воздушный винт 3. Предпочтительным загрязненным топливом газотурбинного двигателя 1 является метан, бутан или смесь легких газообразных олефинов с низким содержанием сероводорода и т.п., оно может представлять собой фракцию загрязненного топлива, извлеченного из скважины. Такая газообразная смесь может поступать из газового выхода газожидкостного сепаратора в топливораспределительное устройство 11. Это загрязненное газообразное топливо может быть предварительно подготовлено для газотурбинного двигателя 1 снижением содержания воды и сероводорода, например, используя известные технологии по очистке газа от соединений серы. Такой фильтр/реактор может являться составной частью топливораспределительного устройства 11. Приемлемым уровнем понижения концентрации H₂S может быть значение менее 5-7%, например, как это продемонстрировали газовые микротурбины Capstone Turbine Corporation: установка Capstone MicroTurbine™, функционируя в сборе с аккумулятором, работала на сернистом газе свыше 1000 часов без снижения производительности. Сернистый газ - это неочищенный растворенный газ, содержащий высокую концентрацию сероводорода (H₂S). Таким образом Capstone MicroTurbine™ также способна работать на сернистом газе, содержащем 5-7% H₂S в метане.

[0026] Помимо этого, эксперименты с десульфуризацией сернистого газа с применением металлических и природных цеолитов продемонстрировали техническую возможность снижения концентрации сероводорода до уровня менее 1% при помощи процесса адсорбции (см., например, S.Yasyerli et al., "Removal of hydrogen sulfide by cliptiolite in a fixed bed adsorber," Chemical Engineering and Processing, 41(9), pp.X785-792, 2002; and Brooks, C.S., "Desulfurization over metal zeolites," Separation Science and Technology, 25 (13-15), pp.1817-1828, 1990). Теория сероводородной адсорбции при помощи цеолитов получила дальнейшее развитие в работе Cruz, A.J., "Physical adsorption of H₂S related to the conversion of works of art: The role of the pore structure at low relative pressure," Adsorption, 1195-6, pp.569-576, 2005). Такой уровень сероводорода является достаточным для длительной работы газотурбинных двигателей, описанных в изобретении. Можно использовать и другие варианты десульфуризации подаваемого топлива для газотурбинных двигателей, включая известные химические реакции. Если все же состав газового потока слишком коррозионно агрессивен для случая малообслуживаемой эксплуатации газотурбинного двигателя 1, то можно использовать стандартное топливо (например, бутан, сниженный природный газ (СПГ) или дизельное топливо и т.д.) для обеспечения функционирования многотопливного авиационного газотурбинного двигателя 1.

[0027] В системе 100, изображенной на Фиг.1, запальное устройство 6 поджигает газ, поступающий с газового выхода газожидкостного сепаратора топливораспределительного устройства 11. В большинстве модификаций количество газа, поступающего с газожидкостного сепаратора, является достаточным для подпитки и газотурбинного двигателя 1, и запального устройства 6. Такое «вспомогательное» хранилище топлива является лишь малой частью общего количества углеводородов, подлежащих сожжению морской горелкой, и представляет собой наиболее экономичный способ функционирования системы 100, поскольку при этом отпадает необходимость во внешних источниках топлива.

[0028] Датчик кислорода 13 может представлять собой λ-датчик (например, производства Bosch, Германия), который, как правило, монтируется на выпускной магистрали для регулирования нагнетания воздуха в автомобильные двигатели. Датчик 13 помогает отслеживать разницу между коэффициентом избытка воздуха в смеси в камере предварительного смешения 7 и требуемым стехиометрическим коэффициентом. Большая часть топлива, поступающего в камеру предварительного смешения 7 через систему распыления топлива 8 (например, топливные форсунки), обозначается термином «загрязненное топливо», который является общим термином для обозначения газов и жидкостей, отводимых из скважины. Например, для газовых скважин такое «загрязненное топливо» может представлять собой сухой газ, влажный или ретроградный газ или газовый конденсат. Для нефтяных скважин такое «загрязненное топливо» представляет собой смесь нефти, воды и незначительного количества попутного газа, растворенного во флюиде (например, поступающего из газового сепаратора).

[0029] В случае газообразного топлива газ просто инжектируется в камеру предварительного смешения 7 через ряд трубок или форсунок. В случае жидкого загрязненного топлива оно подвергается мелкодисперсному распылению в высокоскоростном потоке воздуха, при этом конструкция жидкостных распылителей и их необходимое количество хорошо известны специалистам в данной области. Мелкодисперсное распыление через жидкостные форсунки создает в воздухе дисперсию из жидкого топлива, которая может быть сожжена на выходе горелки. В топливораспределительное устройство 11 могут быть вмонтированы все необходимые клапаны, штуцеры, фильтры, манифольды и другие подобные устройства для регулирования подачи такого топлива.

[0030] Газотурбинный двигатель 1 работает на топливе, которое поступает через трубопровод 16, и осуществляет забор воздуха через воздухозаборник 2. Двигатель 1 вращает вал (не показан) с вмонтированным воздушным винтом 3, создающим принудительный поток воздуха 30 в камеру предварительного смешения 7, который регулируется с помощью кожуха 4. Воздух забирается из атмосферы и проходит через предохранительную сетку 9 (например, во избежание неполадок двигателя из-за мусора) в камеру предварительного смешения 7, где воздушный вихревой поток в интенсивном режиме смешивается с загрязненным топливом (например, газом или жидкостью), которое инжектируется через систему распыления топлива 8 (например, топливные форсунки). Образующаяся топливо-воздушная смесь подается за счет тяги через форсунку 5 и далее сгорает на открытом воздухе (например, в пламени 10). Запальное устройство 6 используется для первичного воспламенения пламени 10 и для безопасной эксплуатации при остановке подачи загрязненного топлива. Загрязненное топливо можно направлять от устья скважины через впуск для загрязненного топлива 15 на топливораспределитнльное устройство 11, где осуществляется автоматический мониторинг (например, в режиме онлайн при помощи процессора, блока управления и т.д.) его состава, расхода и прочих параметров (например, давления и температуры). Если данное загрязненное топливо не подходит для нормального функционирования двигателя, то возможно использовать запасное топливо для двигателей и подавать его через впуск топлива для двигателя 27.

[0031] Результаты мониторинга потока передаются по линии связи 19 на блок управления 12. Блок управления 12 сохраняет и обрабатывает данные, полученные по: линии связи 19 между блоком управления 12 и топливораспределительным устройством 11, линии связи 20 между блоком управления 12 и регуляторами газотурбинного двигателя (не показаны), линии связи 21 между блоком управления 12 и запальным устройством 6, линии связи 22 от датчика 13 до блока управления 12, и линии связи 23 между датчиком 14 и блоком управления 12. Блок управления 12 обрабатывает входящие сигналы с различных линий связи и вырабатывает сигналы обратной связи (или, например, сигналы тревоги и т.д.) для оптимизации функционирования системы 100. Датчик содержания воздуха в смеси 13 и датчик наличия пламени 14 используются для контроля процессов смешивания и горения, соответственно.

[0032] Фиг.2 иллюстрирует еще один пример системы экологически чистого горения 200 с нагнетанием воздуха газотурбинным двигателем. Система 200, изображенная на Фиг.2, состоит из: двигателя 1, ориентированного в противоположном направлении по сравнению с двигателем 1 на Фиг.1, так что некоторые рабочие детали газотурбинного двигателя 1 расположены перед камерой предварительного смешения 7. Система 200 функционирует аналогично системе 100, изображенной на Фиг.1, поэтому идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения. Преимуществом системы 200 является сокращение габаритов и массы камеры предварительного смешения 7, а также повышение безопасности системы 200 по параметрам пожаро- и взрывобезопасности, поскольку система 200 более открыта окружающей атмосфере благодаря конфигурации двигателя 1. Кроме того, система 200 характеризуется облегченным доступом к внутренним компонентам двигателя 1, например, при ремонте, техническом обслуживании и регулировке газотурбинного двигателя 1. В системе 200 воздухозаборник 2 ориентирован так, чтобы обеспечить поток воздуха с противоположного направления по отношению к направлению потока, генерируемому воздушным винтом 3 (например, лопатками вентилятора). Во всем прочем система 200 функционирует аналогично системе 100, изображенной на Фиг.1, и идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения.

[0033] На Фиг.3 изображен пример системы экологически чистого горения 300 с нагнетанием воздуха турбовальным двигателем. Турбовальный двигатель 1, изображенный на Фиг.3, представляет собой лучший вариант по сравнению с газотурбинным двигателем 1 на Фиг.2, поскольку данный тип авиационного двигателя имеет вал и воздухозаборник 2 на противоположных сторонах, что исключает необходимость крупных модификаций двигателя 1 и его оснащения. Тем не менее, примеры осуществления данного изобретения допускают применение любых подходящих двигателей: турбовальных, турбовинтовых и прочих двигателей такого рода. Во всем прочем система 300 функционирует аналогично системам 100 и 200, изображенным на Фиг.1-2, поэтому идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения.

[0034] К преимуществам турбовальных двигателей 1 относится то, что некоторые его типы могут работать на топливах различного качества. Например, турбовальные авиационные двигатели для вертолетов (например, российских вертолетов Ми-8) могут использоваться в качестве двигателя 1 системы 300, так как они способны работать на газе, дизельном топливе и даже минимально очищенной сырой нефти. В этой связи, многотопливный турбовальный двигатель ТВ2-117ТГ (например, изготовляемый ранее в СССР) может использоваться в качестве двигателя 1 системы 300. Преимуществом в этом случае является возможность его адаптации к экстремальным условиям и потреблению различных видов топлива (например, при минимальных модификациях блока впрыска топлива), в том числе жидкого пропан-бутанового газа и газового конденсата, моторного топлива для наземных видов транспорта (например, бензина, керосина и их смесей с СПГ), топлива для водного транспорта (например, дизеля, сырой нефти и их смесей с моторным топливом) и т.д. К преимуществам данного типа двигателя также относится встроенное устройство контроля топлива, обеспечивающее запуск и глушение на керосиновом топливе, заполнение трубопроводов керосином на период холостого хода, автоматический переход с одного типа топлива на другой и т.д.

[0035] Аналогично, все модификации двигателя ТВ3-117 компании «Климов» могут использоваться в качестве двигателя 1, поскольку он спроектирован как газотурбинный привод для передвижных энергоустановок на дизельном и газовом топливе. Реактивная модификация газотурбинного двигателя (например, без свободной турбины) может еще применяться для осушки помещений на фермах и в строящихся зданиях использованием струи отходящих продуктов сгорания. Кроме того, эта же модификация используется для сдува снега и льда с дорог, железнодорожных путей и аэродромов. Этот бренд газотурбинных двигателей известен относительной экономичностью и надежностью при нетрадиционном использовании на суше и может применяться в качестве двигателя 1 в системах примеров осуществления изобретения.

[0036] Конструкция камеры предварительного смешения 7 может изменяться в зависимости от технических требований к системе (например, расхода загрязненного топлива, желаемого соотношения воздух/топливо и т.д.). Например, при использовании газового топлива газ поступает в камеру предварительного смешения 7 через ряд круглых отверстий, при этом в случае жидкого загрязненного топлива эти отверстия могут иметь распылительные форсунки или инжекторы для распыления топлива. Кроме того, воздушный винт 3 может быть различной конфигурации, в том числе одноступенчатый и многоступенчатый (например, осевой или центробежной компрессорная система), с однонаправленным или противонаправленным вращением ступеней. Тип и число лопаток воздушного винта 3 зависят от показателей расхода воздуха, потерь давления и мощности двигателя.

[0037] Фиг.4 и 5 иллюстрируют примеры системы 400 и 500, в том числе соответствующие варианты камеры смешения 7, которая может приспосабливаться к работе в условиях переменного расхода загрязненного топлива. Целью проектирования различных конструкций камеры предварительного смешения 7 является поддержание стабильного уровня ниже «богатого предела» воспламенения топливно-воздушной смеси и таким образом предотвращение возникновения риска взрыва присущего стехиометрической смеси воздуха и газового топлива. На Фиг.4, например, заслонки 24 используются для регулирования количества воздуха, поступающего в камеру смешения 7. Преимуществом является то, что при частичном открывании воздушных заслонок 24 обеспечивается снижение подачи воздуха на вход (например, в пространство между кожухами 4 и 26). Данная конструктивная особенность может быть полезна в ситуациях резкого изменения расхода скважинных флюидов, или их состава, позволяя оператору или контроллеру незамедлительно реагировать на изменения показателей расхода. Подобные резкие изменения расхода типичны при работах по очистке скважин в условиях высокой нестабильности потока на устье скважины. Процесс регулирования пламени посредством открывания/закрывания воздушных заслонок 24 контролируется центральным блоком управления 12 (например, посредством линии связи 25). При этом контролируемая порция нагнетаемого воздуха 30 выходит из камеры предварительного смешения 7 через заслонки 24, так что смесь сохраняет постоянное соотношение топливо/воздух без необходимости замедления вращения (например, об./мин) двигателя 1 (например, учитывая то, что двигатель 1 является высоко инертной системой скорость вращения элементов которого высока). Соотношение кислорода и топлива отслеживается датчиком кислорода 13.

[0038] Система 500, изображенная на Фиг.5, может включать кожух 4 с многочисленными встроенными кожухами 26. Преимущество такой конструкции состоит в том, что оператор может выключать нагнетание топлива в отдельные линии 8 и перераспределять подачу загрязненного топлива в другие части камеры предварительного смешения 7. Затем обогащенные топливом смеси из различных частей кожуха 4 смешиваются с воздухом в конечной секции сопла 5, способствуя чистому горению отработанного топлива (например, за счет множественных секций камеры предварительного смешения, что достигается кожухами 26). Система подачи воздуха системы 500 может включать ряд трубок, обеспечивая чередование потоков воздуха и богатой смеси в соседних каналах. Это обеспечивает стадийность горения природного газа, позволяя тем самым снизить уровень образования NO_X, например, как описано в Патенте США 5,846,068, содержание которого включено в настоящий документ только как ссылка. Преимущество описываемой системы состоит только в том, что смешивание потоков с различными коэффициентами избытка воздуха создает режим чистого и стабильного горения. Во всем прочем системы 400 и 500 функционирую аналогично системам 100-300, изображенным на Фиг.1-3, поэтому идентичные элементы ее работы не будут описываться в целях краткости изложения.

[0039] В примерах осуществления изобретения камера предварительного смешения 7 может включать завихряющие направляющие (не показаны), удлиняющие путь прохождения потока и делающие смешение более интенсивным. Данные завихряющие направляющие изменяют параметр закрутки потока, создаваемого вращением воздушного винта 3. Для краткости завихряющие направляющие не показаны на чертежах, однако они хорошо известны инженерам по системам горения.

[0040] В примерах осуществления изобретения дозвуковое сопло 5 эжектирует топливовоздушную смесь из камеры предварительного смешения 7 в атмосферу для дальнейшего смешивания с атмосферным воздухом и воспламенения запальным устройством 6. Дозвуковое сопло 5 (например, суживающегося или расширяющегося типа) может быть сконфигурировано с учетом номинального расхода смеси (напр