научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ВЫБОР ИХ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСТАНОВКАМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ВЫБОР ИХ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСТАНОВКАМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 533.915

ОСОБЕННОСТИ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ВЫБОР ИХ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСТАНОВКАМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА

© 2015 г. Ф.Г. РУТБЕРГ, Р.Б. ГОНЧАРЕНКО, И.И. КУМКОВА, А.А. САФРОНОВ

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург E-mail: rbggon@yandex.ru

Рассмотрены особенности плазмотронов переменного тока и их систем электропитания и даны рекомендации по выбору их автономных источников электропитания применительно к установкам для получения синтез-газа. Показано, что практическое значение имеет конверсия в непосредственной близости от нефтяных скважин попутного нефтяного газа в синтез-газ (смесь CO и H2) на основе применения плазмотронов переменного тока. Дана оценка мощности основных потребителей электроэнергии на скважине при использовании плазмотронов для конверсии попутного нефтяного газа в синтез-газ. Эта мощность может достигать от 767 кВт до 35,35 МВт. Для питания трехфазных плазмотронов рекомендуется схема с токоограничивающими реакторами и емкостными компенсаторами. Рекомендуется в качестве автономных источников электропитания установок для получения синтез-газа на нефтяных скважинах использовать генераторы с приводом от газовых турбин, либо с приводом от поршневых двигателей внутреннего сгорания. Электростанции с поршневыми и газотурбинными двигателями могут работать с котлами-утилизаторами и вырабатывать тепловую энергию, которая может использоваться для предварительного подогрева реагентов в установках для получения синтез-газа и для бытовых целей.

Ключевые слова: синтез-газ, плазмотроны переменного тока, систем электропитания плазмотронов переменного тока, автономные источники электропитания, установки для получения синтез-газа.

FEATURES OF THE AC PLASMA TORCHES AND THE CHOICE OF THEIR AUTONOMOUS POWER SOURCES APPLIED TO THE PLANTS TO PRODUCE SYNTHESIS GAS

Ph.G. RUTBERG, R.B. GONCHARENKO, I.I. KUMKOVA, A.A. SAFRONOV

Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Electrophysics and Electric Power of Russian

Academy of Sciences, Saint-Petersburg E-mail: rbggon@yandex.ru

Currently promising is technology for production of synthesis gas through the application of the AC plasma torches in agriculture, gas and oil industries. In the article the peculiarities of the AC plasma torches and their power systems and recommendations for selection of their Autonomous power sources applied to the plants to produce synthesis gas. It is

shown that considerable practical importance is the conversion of methane associated petroleum gas into synthesis gas (mixture of CO and H2) in the immediate vicinity of the oil wells. In IEE RAS is created three-phase AC plasma torches, which can convert electrical energy into heat with high — up to 80—90% efficiency. As a stand-alone power supply units for production of synthesis gas in the oil well it is advisable to use three-phase synchronous generators driven by gas turbines or driven by internal combustion engines. Power plants with gas-piston and gas turbine engines can work with heat recovery boilers to generate additional thermal energy that can be used for preheating the reagents for synthesis gas production and for household purposes.

Key words: synthesis gas, AC plasma torches, power supply units of the AC plasma torches, autonomous power supply of the plant for producing synthesis gas, the plant for producing synthesis gas.

В последнее время разработаны новые технологии получения синтез-газа на основе использования плазмотронов переменного тока [1]. Перспективно использование этих технологий для переработки органосодержащих веществ в сельскохозяйственной, газо- и нефтедобывающей отраслях. Практическое значение имеет конверсия в непосредственной близости от нефтяных скважин попутного нефтяного газа в синтез-газ (смесь CO и H2). Конверсии подлежит прежде всего метан, содержание которого в попутном нефтяном газе достигает 70—80% [2]. Синтез-газ используется в процессах синтеза жидких органических веществ на катализаторах, которые целесообразно организовать в непосредственной близости от нефтяных скважин. Это позволит решить проблемы хранения и транспортировки газового топлива. Газовое топливо обычно хранится либо в подземных хранилищах при относительно малых давлениях, либо в стальных газгольдерах при давлении до 1,8 МПа. При этом требуются значительные объемы хранилищ газа. Транспортировка газового топлива по трубопроводам производится при давлении до 10 МПа и для компенсации потери давления в трубопроводе через каждые 200—400 км устанавливаются компрессорные станции мощностью до 25 МВт [3]. В работе [4] показано, что с середины 90-х годов и в последующие годы на нужды магистрального транспорта природных газов ежегодно расходовалось ~50— 56 млрд м3 природного газа и ~12—14 млрд кВт • ч электроэнергии. При перекачке жидких органических веществ, полученных из синтез-газа, затраты энергии существенно снижаются, поскольку энергия не затрачивается на сжатие перекачиваемого продукта, а расходуется только на преодоление сил трения в трубопроводе.

Конверсия в непосредственной близости от нефтяных скважин попутного нефтяного газа в синтез-газ позволит предотвратить сжигание попутного нефтяного газа на факелах. В соответствии с Постановлением Правительства России от 8 января 2009 г. № 7 "О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках" установлен целевой показатель сжигания попутного нефтяного газа в размере не более 5% от его добытого объема.

В местах переработки попутного нефтяного газа может отсутствовать стационарная электросеть, и в связи с разработкой технологии получения синтез-газа на основе установок с плазмотронами переменного тока возникает вопрос об использовании для их электропитания автономных источников. Рассмотрим особенности систем электропитания плазмотронов переменного тока от автономных источников применительно к установкам конверсии метана попутного нефтяного газа. Специфической особенностью попутного нефтяного газа является его незначительный расход из одной скважины — от 100 до 5000 нм3/ч (0,03—1,4 нм3/с) [2].

В [1] рекомендуется проводить конверсию метана в синтез-газ для смеси газов с соотношением CH4 : H2O : CO2 = 0,775 : 0,605 : 0,2475 путем нагревания в плазмотроне при затратах энергии в 15 МДж/кг смеси газов. Тогда расход энергии на конверсию CH4 будет 15 • (0,775 + 0,605 + 0,2475)/0,775 = 31,5 МДж/кг. Принимая объемное со-

держание метана в попутном нефтяном газе равным 80%, удельную массу метана — 0,7168 кг/м3 и КПД плазмотрона — 90% [5], получим для мощности, затрачиваемой на конверсию попутного нефтяного газа одной скважины величину от (0,03 • 0,7168 • ■ 31,5)/0,9 = 0,752 МВт до (1,4 • 0,7168 • 31,5)/0,9 = 35,1 МВт.

При использовании для перекачки нефти из скважины погружного центробежного электронасоса на его питание будет дополнительно расходоваться от 32 до 250 кВт [6] и при использовании штангового насоса дополнительно 15—30 кВт [7]. Таким образом, мощность основных потребителей электроэнергии на скважине может достигать от 767 кВт до 35,35 МВт. Основная доля этой мощности будет расходоваться на питание плазмотронов установки для получения синтез-газа.

В последние годы наряду с плазмотронами постоянного тока [8] в различных плаз-мохимических технологиях используются плазмотроны переменного тока [5, 9—11]. Это, прежде всего, относится к технологиям, для осуществления которых нужны генераторы плазмы большой мощности. В этом типе генераторов плазмы для нагрева газа используется энергия переменного тока промышленной частоты. Вместо балластного сопротивления, стабилизирующего дугу постоянного тока, для стабилизации и регулирования режима работы плазмотрона переменного тока применяются катушки индуктивности, что существенно упрощает и удешевляет схему питания. Конструктивно существующие и описанные в литературе плазмотроны переменного тока можно разделить на три типа: однофазные, трехфазные многокамерные и трехфазные однокамерные.

Однофазные плазмотроны переменного тока практически мало отличаются от плазмотронов постоянного тока. При применении электродов тороидальной формы в них также используют магнитное вращение дуги и поперечный обдув электродов.

Многокамерные плазмотроны представляют по существу комбинацию трех однофазных плазмотронов. При этом сеть переменного тока включается по схемам "треугольник" или "звезда" [12]. Большая поверхность всей конструкции (электродуговые и смесительная камеры) приводит к значительным тепловым потерям и усложнению конструкции.

В однокамерных многофазных плазмотронах все электроды располагаются в одной камере. Используются электроды различной формы и геометрии: кольцевые, тороидальные, стержневые. Этот тип плазмотронов, как показали многолетние исследования, выполненные в ИЭЭ РАН, имеют ряд преимуществ по сравнению с другими видами за счет простоты конструкции и более стабильного режима горения дуг. Наличие одновременно горящих нескольких дуг переменного тока в одной камере позволяет создать простые и надежные камеры, которые могут преобразовать энергию электрического тока в тепловую с высоким КПД (0,8—0,9). Для достижения таких результатов был выполнен значительный объем научно-исследовательских и конструкторских работ в ИЭЭ РАН [5, 9]. Все разработанные и исследованные конструкции однокамерных многофазных плазмотронов имеют общую особенность: три электрода в одной камере. Различие заключается в том, что для нагрева инертных газов, азота и водорода используются электроды стержневого типа из вольфрама или вольфрамсодержащих материалов, а для нагрева окислительных сред — водоохлаждаемые медные трубчатые электроды.

Плазмотроны со стержневыми электродами в зависимости от мощности делятся на две серии: ППТ, мощностью до 140 кВт, и ЭДП, состоящих из трех базовых моделей номинальной мощностью 2, 10 и 80 МВт. Плазмотроны предназначены для генерации плазмы любых газов, не содержащих кислор

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком