NO851960L - Innretning for utvikling av injeksjonsgass fortrinnsvis for utdriving av jordolje fra lagringssteder. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for fremstilling av injeksjonsgasser ifølge kravenes innledning.

For økning av utbytte fra oljelagringssteder, er det kjent å presse inn bestemte gasser/eksempelvis nitrogen eller ved forbrenning av karbonhydrater fremkommende blan-dinger av nitrogen og karbondioksyd. Gassen må kunne frem-stilles billig i store mengder.

Konvensjonelle anlegg for fremstilling av forbrenningsgass for det ovenfor nevnte formål består i regelen av et brennkammer og en kjøleanordning for den i brennkammeret utviklede avgass. Det er også kjent som forbrenningsanordning å benytte en gassturbin med et lukket kretsløp som tjener til å drive en kompressor for avgassene (DE 3 228 091). Selv om den mekaniske energi fra gassturbinen som fremstiller avgassen utnyttes, for å drive et ytterligere aggregat, er gass-utbyttet fremdeles meget lavt i forhold til den forbrukte energi.

Det er videre kjent å benytte nitrogen for dette formål som utvinnes ved spalting av luft i oksygen og nitrogen ved hjelp av et luftspalteanlegg. Herved er energibehovet for fremstilling av en normvolumenhet nitrogen mindre enn for fremstilling av en normvolumenhet forbrenningsgass ifølge den foran beskrevne fremgangsmåte. På den annen side krever et luftspaltingsanlegg større investeringer enn et forbrenningsanlegg med samme kapasitet.

Nitrogen eller en blanding av nitrogen og karbondioksyd fra forbrenningsgasser, har innenfor teknikken i lengre tid vært benyttet for ulike formål, især for inertisering av anlegg som bearbeider brennbare stoffer, eller i det hele tatt for fortrenging eller fortynning av luftoksygenet.

Kjente innretninger for fremstilling av disse gasser ble fortrinnsvis utviklet som inertgassfremstillere. For mindre mengder foretrekkes på grunn av de lavere investeringskost-nader bruk av forbrenningsinertgass (avgass) når den spesielle bruk ikke krever ren nitrogen. For større mengder, især når det ikke bare foreligger temporært men kontinuerlig behov, er luftspaltingen mer fordelaktig på grunn av det mindre energiforbuk pr. fremstilt inertgassmengde.

Oppfinnelsen tar sikte på å løse den oppgave å frem-bringe en innretning av den i kravenes innledning anførte type, som muliggjør fremstilling av store mengder injeksjonsgass billig og med liten energiinnsats.

Løsningen av denne oppgave oppnås ved de i kravenes karakteriserende deler anførte trekk.

Innretningen ifølge oppfinnelsen danner en kombinasjon av et termisk energifremstillingsanlegg og et luftspaltingsanlegg. Herved utvikler det termiske energifremstillingsanlegg energien for driften av luftspaltingsanlegget. Hvert anlegg kan optimeres for den spesielle bruk. Innretningen ifølge oppfinnelsen medfører et tydelig lavere energiforbruk enn om denne gassmengde i form av nitrogen hadde vært fremstilt i et luftspaltingsanlegg. Også med hensyn til inve-steringskostnadene er den kombinerte innretning ifølge oppfinnelsen gunstigere enn et luftspaltingsanlegg som fremstiller den samme gassmengde utelukkende med et termisk energifremstillingsanlegg. Fordelen med det lavere energiforbuk oppnås allerede når den fremstilte gassblanding (eksempelvis for bruk som inertgass) avgis uten trykk, men gir seg større utslag når gassblandingen avgis under trykk slik det alltid kreves for opphenting av olje fra oljelagre i jorden. I dette tilfelle kan også komprimering av gassblandingen foregå med den energi som fremkommer av det termiske energifremstillingsanlegg ifølge underkravene.

Gassturbiner som kan benyttes som termiske energifremstillingsanlegg drives med stort luftoverskudd. Forbren-ningsgassen (avgassen) i en normal gassturbin er derfor ikke egnet til utvinning av en nitrogen/karbondioksydblanding fordi den inneholder for meget oksygen. Ifølge underkravene løses dette problem ved at en del av den avkjølte avgass til gassturbinen føres tilbake slik at gassturbinen suger en blanding av luft og avgass. Forholdet luft/avgass kan innstilles slik at den oksygen som inneholdes i den innsugede gassblanding omsettes fullstendig i gassturbinens brennkammer.

En annen mulighet består i at gassturbinen har en etterkoblet nedkjølingskjei med tilleggsbrenner hvor den rester-ende oksygen omsettes i tilleggsbrenneren. På grunn av en normal gassturbins store luftoverskudd må en overveiende andel av energiutviklingen forskyves til den i tillegg fyrte nedkjølingskjei for å omsette all oksygen. Energiutviklingen som sådan oppnår således heller karakteren av en damp-kjel med foran koblet gassturbin. Ved kombinasjon av den foran beskrevne avgasstilbakeføring med en tilleggsfyrt ned-k jølingsk jei, kan i forholdet gass turbinef f ekt/dampturbinef f ekt innstilles på enhver ønsket måte og dermed tilpasses den benyttede maskins effektopptak.

Når all oksygen i gassturbinprosessen skal omsettes

og det stilles store krav til gassblandingens renhet, kan komprimert avgass eller fremstilt gassblanding blåses inn i den ende av brennkammeret som ligger lengst borte fra flammen eller også inn i forbindelseskanalen mellom brennkammeret og turbinen. Dette trekk gjør det mulig å innstille en høyere temperatur i brennkammeret enn ved en normal gassturbin og derved å begunstige forbrenningsreaksjonen. Etter blandingen av den i brennkammeret fremstilte forbrenningsgass med den innblåste gass er gasstemperaturen akkurat så høy som turbinen tillater. Ved dagens gassturbiner kan denne temperatur være nær 1000°C.

Oppfinnelsen angår også varianter hvor luftspaltingsanlegget leverer nitrogenfraksjonen med overatmosfærisk trykk, idet trykket utnyttes for den videre kompresjon eller for injeksjon i brennkammeret.

I det følgende beskrives oppfinnelsen på grunnlag av utførelservist på tegningen hvor figur 1 viser et skjema over en utførelse av en første variant av innretningen, figur 2 viser en ytterligere utførelse av den første variant, figur 3 viser en utførelse av den andre variant, figur 4 viser en ytterligere utførelse av den andre variant, og figur 5 og 6 viser utførelser ved tilleggsdamputvikling.

Gassturbinen 10 på figur 1 består på kjent måte av en luftkompressor 11, et (eller flere) brennkamre 13 og en tur-bindel 12. I brennkammeret oppstår forbrenningsgasser av trykkluft og brennstoff som avlastes under avgivelse av arbeidet i turbinen. Foran luftkompressorens 11 luftinntak er et luftfilter 14 anordnet gjennom hvilket luften L suges inn. Brennstoffet B tilføres brennkammeret 13 via brennstoff renseanordningen 15.

Da gassturbinens 10 avgass fremdeles inneholder ubrukt oksygen, er avgassledningen 16 forbundet med en tilleggsbrenner 17 som likeledes tilføres renset kraftstoff. I tilleggsbrenneren 17 omsettes oksygen som avgassene kan inne-holde. De avgasser som forlater tilleggsbrenneren 17 til-føres kjølekjelen 18 som er en varmeveksler. Avgassene avgir her varme til et dampkretsløps varmespiral 19. Varmespiralen 19 består av matevannforvarmer, kokerør og damp-overoppvarmer, idet en på tegningen ikke inntegnet damptrom-mel er koblet mellom. I tillegg er anordnet en etterfor-brenningsanordning 20 som omsetter resten av oksygenet. Avgassene føres deretter via en gasskjøler 21 og en gass-renseanordning 22 til samleledningen 23.

Varmespiralen 19 er bestanddel av dampkretsløpet som inneholder dampturbinene 24 og 25 koblet i parallell. Hver turbin 24, 25 har en etterkoblet kondensator 26, 27 som via en returledning 28 er forbundet med varmespiralens 19 inntak. Varmespiralens 19 uttak er via en dampledning 30 forbundet med dampturbinenes 24 og 25 inntak.

Gassturbinen 10 danner sammen med tilleggsbrenneren 17 og nedkjølingskjelen 18 det termiske energifremstillingsanlegg. Etterforbrenningsanordningen 20 står i forbindelse med nedkjølingskjelen slik at avgassens temperatur tilsvarer den optimale temperatur for etterforbrenningsreaksjonen.

I tilkobling til etterforbrenningen bentyttes avgassen for ytterligere kjøling i nedkjølingskjelen 18.

Dampturbinens 25 aksel driver luftspalteanleggets 32 luftkompressor 31. Luftkompressorens 31 sugledning er via et luftfilter 33 forbundet med et luftinntak L. Luftspalte-anlegget 32 inneholder i tillegg til luftkompressoren 31, luftspaltedelen 34 hvis ene uttak 0 avleverer luftens oksy-genfraksjon og hvis andre uttak N avleverer nitrogenfraksjonen N. Nitrogenfraksjonen N tilføres samleledningen 23 og blandes her med røkgassen.

Samleledningen 23 fører til en kompressor 35 som drives av gassturbinens 10 utgangsaksel og som komprimerer det første trinns blanding bestående av avgass og nitrogen. Blandingen komprimeres i en ytterligere kompressor 36 i et andre trinn og tilføres deretter produksjonsuttaket<p>'.

Kompressoren 36 drives av dampturbinens 24 utgangsaksel.

Via den stiplet viste ledning 37 kan en del av blandingen av avgass og inertgass fra kompressoren 35 tilføres brennkammeret 13 for å muliggjøre en mer oksygenrik forbrenning i brennkammerets reaksjonssone og å forhøye temperaturen i brennkammerets reaksjonssone. Ledningen 37 fører til den ende av brennkammeret 13 som befinner seg lengst borte fra flammen eller inn i forbindelsen mellom brennkammeret 13

og turbindelen 12.

Videre avgrenes en del av den nedkjølte avgass bak gasskjøleren 21 og føres inn i luftkompressorens 11 luftinn-sugningsledning via ledningen 38. Gassturbinen 10 suger således en blanding av luft og avgass for å nedsette luftover-skuddet, henholdsvis for å erstatte en del av den nødvendige massestrøm med avgass.

Av beskrivelsen ovenfor fremgår at det termiske energifremstillingsanlegg 10, 17, 18 på den ene side avgir mekanisk energi til kompressoren 35 og på den annen side avgir termisk energi til dampkretsløpet for å opparbeide det nødvendige trykk P i den utviklede injeksjonsgass og å drive luftspaltingsanleggets 32 kompressor 31. Ved de ulike til-tak kan det oppnås at blandingen av avgasser og nitrogen er fri for oksygen. Dette baserer på en fullstendig omsetning av den innsugede oksygen i de ulike brennkamre og ved hensikts-messig utforming av brennkamrene.

En sammenlignende beregning for utviklingen av 200 000 m<3>gass pr. time gir følgende forhold: a:b:c: = 975:750:600.

Her er a energiinnsatsen som fremkommer når hele gass-mengden består av avgass, b er energiinnsatsen når hele gass-mengden består av nitrogen som utvinnes ved luftspalting og c er energiinnsatsen ved fremstillingen av gassblandingen ved hjelp av den beskrevne innretning.

Utførelsene på figur 2-4 tilsvarer i det store og hele figur 1 slik at den etterfølgende beskrivelse begrenser seg til forskjellene.

Ved utførelsen på figur 2 innføres ikke luftspalting-anleggets 32 nitrogenfraksjon N i kompressorens 35 innsug-ingsside, men i et mellomtrinn i denne kompressor. Dette er begrunnet i at luftspaltingsanlegget avleverer nitrogenfraksjonen med et forhøyet trykk. I dette tilfelle foregår blandingen av nitrogen med avgassene i kompressoren 35.

Utførelsen på figur 3 er spesielt egnet for bruk med et luftspaltingsanlegg som leverer nitrogenfraksjonen med høyere restoksygeninnhold. Slike luftspaltingsanlegg arbei-der etter et relativt enkelt prinsipp og er billigere enn luftspaltingsanlegg som leverer nitrogen med stor renhet. Ifølge figur 3 tilføres nitrogenfraksjonen N ikke en samle-ledning, men ledningen 38 som fører til et inntak i gassturbinens 10 luftkompressor 11. Nitrogenfraksjonen med restoksy-geninnholdet blander seg med den innsugede luft L og deltar ved forbrenningsreaksjonen. Herved nedsettes gassturbinens oksygengjennomstrømning da en del av de innsugede gasser består av nitrogen. Nitrogenet strømmer gjennom gassturbinen 10 og befinner seg deretter i avgassene. En del av nitro-genen som tilføres ledningen 38 kan avgrenes og tilføres kompressoren 35.

Ved utførelsen på figur 4 benyttes et luftspaltingsanlegg 32 som leverer nitrogen eller en nitrogenrik fraksjon med restoksygen ved forhøyet trykk. Nitrogenfraksjonen N tilføres her gassturbinens 10 brennkammer 13, enten til et inntak (uttrukne linjer) på flammesiden eller et inntak i avstand fra flammen, henholdsvis i forbindelseslinjen mellom brennkammeret 13 og turbindelen 12 (stiplede linjer). Frak-sjonens injeksjon foregår nær flammen når fraksjonen inneholder en oksygenandel. Oksygenandelen omsettes ved forbrenningen. Derimot foregår injeksjonen i området i avstand fra flammen når nitrogenfraksjonen i det vesentlige er ren. Ved injeksjon av inertgass nedsettes turbininntakstemperaturen vesentlig. I ethvert tilfelle vil nitrogen som tilføres brennkammeret 13, foreligge i avgassen.

Ved forbrenningen av hydrokarboner oppstår vann som oppsamles bak kjøleren 21 og bak kompressorens 35 mellomkjø-ler. Figur 5 viser en utførelse hvor dette vann benyttes til i tillegg å føres bort som dampkondensat D i tilleg til pro duktgassen P. Vannet W føres bort fra en itiellomkjøler 39 i kompressoren 35 og tilføres en fordamper 38 som foreligger i avkjølingskjelen 18 i tillegg til oppvarmingsspiralen 19. Den damp D som forlater fordamperen 38 kan presses inn i olje-lagerstedet i tillegg til produktgassen P eller benyttes til andre formål på oljefeltet. I tillegg tilføres fordamperen 38 også vann W som kommer fra mellomkjøleren 39 og som dannes bak kjøleren 21. På denne måte omsettes i første rekke det vann som oppstår ved forbrenningen av hydrogenkarbonene til damp og bortledes.

Utførelsen på figur 6 tilsvarer figur 5 bortsett fra at den damp som forlater fordamperen 38 ikke bortledes, men føres tilbake til brennkammeret 13. I dette tilfelle eksi-sterer et lukketvann/dampkretsløp hvor demineralisert medium sirkulerer. Den damp som tilføres brennkammeret 13 danner et tillegg til brennstoff/luftvolumet slik at gassturbinen 10 kan drives med mindre luftmengde.

I figur 5 og 6 foreligger i praksis i stedenfor den viste effektavgrening, en spesiell avskillerbeholder for av-skilling av gass og kondensat. Det kan også benyttes et kom-binert anlegg med kjøler- og avskillerfunksjon.

I forbindelse med gassfremstillingsinnretningen med-fører innblåsingen av damp inn i gassturbinen i tillegg til en forbedring av virkningsgraden, også ytterligere fordeler. Den innblåste damp kan benyttes som tilbakeført avgass, hhv. fremstilt gassblanding. Brenntemperaturen i brennkammeret kan økes. Ved etterfølgende blanding med den innblåste damp, reduseres inngangstemperaturen i turbinen til den tillate-lige størrelse. Ved utviklingen av den damp som skal blåses inn i nedkjølingskjelen 18, trekkes den hertil nødvendige varme ut av dampkretsløpet. Således forflyttes effekt fra dampturbinene til gassturbinen. Dampinnblåsingen kan benyttes for å tilpasse damp- og gassturbinenes effekt optimalt til de kompressorer som skal drives.

Ved kombinasjon av trekkene i de ulike utførelser kan gassfremstillingsanlegget ifølge oppfinnelsen tilpasses ulike krav, med hensyn til bruk av alle kjente luftspaltingsanlegg (uavhengig av om disse avgir ren nitrogen eller nitrogen med restoksygen, nitrogen under atmosfærisk trykk eller større trykk) og med hensyn til ulike gassmengder og gasstrykk (om det skulle kreves kompresjonsanlegg med ett eller flere hus eller forskjellige kompressortyper, eksempelvis aksial-, radial- eller stempelkompressorer i kombinasjon) ved at gassturbinenes, dampturbinenes eller andre kraftmaskiners effek-ter på den ene side og arbeidsmaskinens på den annen side, kan avstemmes til hverandre.

Claims (13)

1. Innretning for fremstilling av injeksjonsgass, fortrinnsvis for utdriving av olje fra lagringssteder, med et termisk energiutviklingsanlegg (10, 17-19, 24-29) som mates med brennstoff (B) og utvikler avgass, karakterisert ved at et luftspaltingsanlegg (32) er slik koblet med det termiske energifremstillingsanlegg (10, 17, 18) at dette avleverer energi for driften av luftspaltingsanlegget (32) , og at en nitrogenfraks jon (N) fra luftspaltingsanlegget (32) og minst en del av avgassen tilføres en felles oppsamlingsanordning (23).

2. Innretning for fremstilling av injeksjonsgass, fortrinnsvis for utdriving av olje fra lagringssteder, med et termisk energifremstillingsanlegg (10, 17-19, 24-29) som mates med brennstoff (B) og utvikler avgass, karakterisert ved at et luftspaltingsanlegg (32) er slik koblet med det termiske energifremstillingsanlegg (10, 17-19, 24-29) at dette avleverer energien for drift av luftspaltingsanlegget (32) og at minst en del av luftspaltingsanleggets (32) nitrogenfraksjon (N) blandes inn i det termiske energifremstillingsanleggs (10, 17, 18) forbrennings-luft.

3. Innretning ifølge krav 1-2, karakterisert ved at det termiske energifremstillingsanlegg (10, 17, 18) omfatter en forbrenningskraftmaskin (10) og en nedkjølings-kjel (18) som kjøler forbrenningskraftmaskinens avgasser, at nedkjølingskjelen (18) er tilkoblet et dampkretsløp som omfatter minst en dampturbin (24, 25) og at dampturbinen (25) driver en kompressor (31) i luftspaltingsanlegget (32).

4. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at forbrenningskraftmaskinen (10) driver en første kompressor (35) anordnet i en oppsamlingsledning (23).

5. Innretning ifølge krav 3-4, karakterisert ved at dampkretsløpet inneholder en ytterligere turbin (24) som driver en ytterligere kompressor (36) som er koblet etter den første kompressor.

6. Innretning ifølge krav 1-5, karakterisert ved at det termiske energifremstillingsanlegg (10, 17, 18) omfatter en gassturbin (10) eller flere, at en del av gassturbinenes avgasser eller den fremstilte gassblanding fra oppsam-lngsledningen (23) tilbakeføres til luftinnsugingsinntaket og blandes med den innsugede luft i et slikt forhold at avgas-senes oksygeninnhold i det vesentlige reduseres til null.

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at en tilleggsbrenner (17) er anordnet mellom gass-turbinene (10) og en utnyttelsesanordning (18) for den av-førte varme.

8. Innretning ifølge krav 1-7, karakterisert ved at det termiske energifremstillingsanlegg (10, 17, 18) inneholder en gassturbin (10) og at det termiske energifremstillingsanleggs (10, 17, 18) avgassuttaksledning, eller opp-samlingsledningen (2 3) for fremstilt gassblanding, via en kompressor (35) er forbundet med et inntak eller med uttaket for gassturbinens (10) brennkamre (13).

9. Innretning ifølge krav 1-8, karakterisert ved at gassturbinen (10) har et brennkammer (13) for i det vesentlige fullstendig stokiometrisk forbrenning eller for i det vesentlige fullstendig reaksjon av en blanding av brennstoff og luft som er blandet med avgass og/eller nitrogen.

10. Innretning ifølge krav 1-9, karakterisert ved at ved bruk av et luftspaltingsanlegg (32) som leverer en nitrogenrik fraksjon med overtrykk, denne fraksjon til-føres et mellomtrinn i det første kompressor (35).

11. Innretning ifølge krav 1-9, karakterisert ved at ved bruk av et luftspaltingsanlegg (32) som leverer en nitrogenrik fraksjon med overtrykk, denne fraksjon inn-føres i det termiske energifremstillingsanleggs (10) brennkammer (13) .

12. Innretning ifølge krav 1-11, karakterisert ved at nedkjølingskjelen (18) omfatter -en ytterligere fordamper (38) som tilfø res dampkondensat som inneholdes i avgassen, og at en ledning (40) fører fra en mellomkjøler i en kompressor (35) anordnet i avgassledningen, til fordamperens (38) inntak.

13. Innretning ifølge krav 12, karakterisert ved at fordamperens (38) uttak er forbundet med et inntak i brennkammeret (13).