CC BY
71
УДК 622.997:697.34
Н. Д. Шишкин Астраханский государственный технический университет
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ
Нефтегазовая отрасль Российской Федерации является основой топливно-энергетического комплекса страны. Добыча нефти, включая газовый конденсат, в России в 2005 г. составила 460 млн т/год, а добыча газа - 630 млрд м3/год. Следует, однако, отметить, что в настоящее время на долю трудноизвлекаемых запасов нефти и газа из низкопроницаемых пластов, глубокопог-руженных горизонтов приходится около 65 % от общих запасов. Крупнейшие месторождения, открытые в 60-70-е гг. ХХ в., в результате интенсивной эксплуатации значительно истощились, а обводненность продукции этих месторождений достигла 80-90 % и более. Кроме того, имеется много низкопродуктивных линзовых месторождений, освоение которых требует значительно больше материальных и энергетических ресурсов. Добыча 1 т нефти из залежей с запасами меньше 1 млн т стоит в 10-50 раз дороже, чем из месторождений с запасами 10 млн т [1].
Себестоимость добычи нефти в России составляет от 9 до 12 долл./барр., в то время как в Саудовской Аравии от 0,75 до 2 долл./барр., в Ираке - до 3 долл./барр. [2]. Среднее удельное потребление электроэнергии при добыче нефти в России составляет около 50 кВт^ч/т, тепловой энергии -57 МДж /т [3], что также выше, чем в других странах - основных экспортерах нефти. Одним из путей снижения себестоимости добычи нефти и газа является разработка и внедрение энергосберегающих технологий и оборудования на нефтегазопромысловых объектах. В этой связи представляется целесообразной разработка и оптимизация энерго- и ресурсосберегающих установок с использованием топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и вторичных энергоресурсов (ВЭР). В ряде случаев для повышения потенциала ВЭР могут быть использованы и теплонасосные установки.
Целью работы являлась предварительная оценка эффективности энергосберегающих технологий энергетического оборудования при его применении для различных нефтегазопромысловых объектов.
Основные технические показатели, область применения современных теплоэнергетических установок на основе ТЭР с возможным использованием их на нефтегазопромысловых объектах по данным [4, 5] приведена в табл. 1. Установленная мощность энергоустановок (блочных котельных), оборудованных паровыми и водогрейными котлами отечественного и иностранного производства, составляет от 2,1 МВт для небольшого вахтового поселка до 33,5 МВт для центрального пункта промыслового сбора нефти. В качестве теплоносителя, используемого для технологических целей, применяется водяной пар давлением 0,6 МПа и горячая вода с температурой 115-200 °С. В качестве топлива в блочных котельных используются мазут, природный и нефтяной газ. Из-за значительно меньших затрат при строительстве и эксплуатации, а также снижения потерь теплоты себестоимость тепловой энергии от автономных источников в 3-4 раза меньше, чем от централизованных котельных.
Таблица 1
Основные технические показатели энергоустановок
Месторасположение энергоустановки Рабочие параметры
Давление пара, МПа Т емпература воды, °С У становленная мощность
МВт Гкал/ч
Производственная площадка для добычи нефти 0,6 200 4,8 4,2
- 200 2,1 1,8
Центральный пункт сбора 0,6 150 33,5 28,8
Комплексный сборный пункт 0,6 150 22,3 19,2
Установка комплексной подготовки газа 0,6 115 19,6 16,8
Дожимная насосная станция 0,6 115 2,1 1,8
- 115 6,0 5,1
Вахтовый поселок - 115 2,1 1,8
Расчеты автора по экономии ТЭР за счет применения солнечной, ветровой энергии и ВЭР для предварительного подогрева холодной воды перед подачей в рассматриваемые блочные котельные приведены в табл. 2. При выполнении расчетов выработки тепловой энергии принимался коэффициент использования установленной мощности 0,9. При расчетах экономии тепловой энергии за счет гелиоустановки и ветроэнергоустановки по разработанным автором методикам [6] температура подогрева теплоносителя принималась равной 55 °С. При оценке экономии за счет применения ВЭР (дымовых газов) учитывались потенциальные возможности охлаждения дымовых газов с использованием теплоты конденсации водяных паров [7].
Как видно из табл. 2, при использовании альтернативных источников энергии для предварительного подогрева воды перед подачей в паровые котлы экономия ТЭР весьма незначительна и не превышает 24-25 %. Наибольшая экономия ТЭР за счет использование ВИЭ и ВЭР -от 57 и практически до 100 % - возможна за счет их применения для предварительного подогрева воды перед подачей в водогрейные котлы и последующего использования горячей воды для технологических целей, отопления и горячего водоснабжения. Часть электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергоустановками, на дожимной насосной станции и в вахтовом поселке может быть использована в теплый период года для электроснабжения, например для привода вспомогательного оборудования и освещения. Таким образом, наиболее эффективно применять альтернативные источники энергии для получения горячей воды с температурой 50-60 °С.
Таблица 2
Данные по экономии топливно-энергетических ресурсов
Выработка тепловой энергии, тыс. Г кал/год Экономия за счет применения Замещение альтернаті шимми энергоресурсами
солнечной энергии, тыс. Г кал/год ветровой энергии, тыс. Гкал/год вторичных энергоресурсов, тыс. Г кал/год
тыс. Гкал/год %
32,9 1,1 4,4 2,3 7,8 24
14,3 3,5 3,7 1,0 8,2 57
227,1 7,8 31,2 15,9 54,9 24
151,3 5,2 20,8 10,6 33,6 24
132,5 6,5 26,0 9,3 41,8 25
14,2 0,5 2,0 1,0 3,5 25
40,2 9,5 38,0' 2,8 50,3' 125'
15,8 3,2 12,8' 1,1 17,1 108'
Часть энергии, вырабатываемой ветроэнергоустановками, используется для электроснабжения нефтегазопромыслового объекта.
Как отмечается в [5], для вахтовых поселков, опорных баз промысла, которые расположены на большом расстоянии от источников газоснабжения, целесообразнее использовать электрические котлы, в частности индукционные нагреватели «Эдисон», выпускаемые Заводом сибирского технологического машиностроения для отопления и горячего водоснабжения. Используются также теплонасосные станции на основе блоков тепловых насосов различных типов [6]. Так, например, в Тюмени теплонасосная станция теплопроизводительностью 4,1 МВт (3,5 Гкал/ч) использует низкопотенциальную теплоту поверхностного источника с температурой 7-8 °С и трансформирует ее до температуры 65-70 °С для системы отопления и до температуры 55 °С для системы горячего водоснабжения [5].
Комплексный анализ энергетической, термодинамической и экономической эффективности преобразования ВИЭ и ТЭР в тепловую и электрическую энергию (которая для ряда автономных объектов может быть использована для отопления и горячего водоснабжения) может быть выполнен на основе сопоставления показателей эффективности современных энергоустановок, использующих ТЭР и ВИЭ для получения тепловой и электрической энергии.
Результаты расчетов наивысших показателей энергетической, термодинамической и экономической эффективности энергоустановок, выполненных по разработанным автором методикам [6, 8], а также данные других авторов [3, 9] приведены в табл. 3. Как видно из табл. 3, энергетические КПД п энергоустановок, использующих ВИЭ (включая тепловые насосы), в 1,5-2 раза ниже (в среднем в 1,8 раза), чем КПД теплогенераторов, использующих ТЭР. Однако трансформаторы ВИЭ имеют эксергетические КПД пех практически такие же (в среднем лишь на 2 % ниже) или даже большие значения, чем источники тепла, использующие ТЭР.
Таблица 3
Наивысшие показатели эффективности энергоустановок
Тип энергоустановки П пех К* тыс. руб./кВт С** руб./Г кал
Использующие ТЭР
Котельная 0,95 0,30 0,7 27
Индивидуальный теплогенератор 0,90 0,28 1,4 20
Г азовый водонагреватель 0,85 0,26 1,4 20
Котельная с индукционными нагревателями 0,95 0,92 1,7 100
Использующие ВИЭ
Солнечная котельная 0,50 0,33 16,8 40
Солнечный водонагреватель 0,52 0,28 11,2 20
Ветроэнергетическая установка 0,40 0,40 16,8 33,6' 40 73'
Теплонасосная станция 0,60 0,52 3,4 33
Удельные капитальные вложения.
Себестоимость получаемой тепловой энергии. Получаемая энергия используется для электро- и теплоснабжения.
Удельные капитальные вложения Куд в источники тепловой энергии, использующие ВИЭ, в десятки раз (в среднем в 13 раз) превышают эти показатели для источников тепловой энергии, использующих ТЭР, что обусловлено соответственно меньшим значением плотности потока энергии. Несколько лучшие показатели имеют тепловые насосы, у которых Куд лишь в 2-5 раз больше, чем у теплогенераторов, использующих ВИЭ. Себестоимость получаемой тепловой энергии Ст. э от источников тепла, использующих ВИЭ, практически такая же, как и у источников тепла, использующих ТЭР. Себестоимость тепловой энергии, получаемой за счет использования электроэнергии в котельных с индукционными нагревателями, в 4-5 раз больше, чем Стэ, получаемой топливными теплогенераторами, и в 1,4 выше, чем Ст. э, получаемой из электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергоустановками. Именно поэтому представляется нецелесообразным непосредственное использование электроэнергии, получаемой за счет ТЭР и ВИЭ для нужд теплоснабжения. Электроэнергию более рационально использовать для привода компрессоров теплонасосных станций.
Таким образом, в целом термодинамическая эффективность современных энергоустановок на основе ВИЭ не ниже, а в ряде случаев даже выше, чем энергоустановок, использующих ТЭР, поэтому с термодинамической точки зрения использование ВИЭ вполне целесообразно. Однако необходимо дальнейшее совершенствование трансформаторов ВИЭ, направленное на повышение их энергетического КПД, а также улучшение их технико-экономических показателей, - существенное сокращение Куд и Ст. э.
Выводы
На основе комплексной оценки эффективности энергосберегающего оборудования нефтегазопромысловых объектов можно сделать следующие выводы.
1. При использовании альтернативных источников энергии для предварительного подогрева воды перед подачей в паровые котлы экономия ТЭР весьма незначительна и не превышает 24-25 %. Наибольшая экономия ТЭР за счет использование ВИЭ и ВЭР - от 57 и практически до 100 % возможна за счет их применения для подогрева воды до температуры 50-60 °С. Часть электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергоустановками, может быть использована для электроснабжения промысловых объектов.
2. Энергетические КПД энергоустановок, использующих ВИЭ, в 1,5-2 раза ниже, чем КПД теплогенераторов, использующих ТЭР. Однако трансформаторы ВИЭ имеют эксергетиче-ские КПД практически такие же или даже большие, чем источники тепла, использующие ТЭР.
3. Удельные капитальные вложения в источники тепловой энергии с ВИЭ в десятки раз превышают эти показатели для источников тепловой энергии, использующих ТЭР. Несколько лучшие показатели имеют тепловые насосы, у которых удельные капитальные вложения лишь в 2-5 раз больше, чем у теплогенераторов с ВИЭ.
4. Себестоимость тепловой энергии, получаемой от источников тепла, использующих ВИЭ, практически такая же, как и от источников тепла на основе ТЭР. Себестоимость тепловой энергии, получаемой в электрокотельных, в 4-5 раз больше, чем Стэ, получаемой топливными теплогенераторами, и в 1,4 выше, чем Стэ, получаемой из электроэнергии, вырабатываемой вет-роэнергоустановками, поэтому ее экономически целесообразно использовать только для привода тепловых насосов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скважинные насосные установки для добычи нефти / В. Н. Ивановский, В. И. Дарищев, А. А. Сабиров и др. - М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2002. - 586 с.
2. Кудзоев А. И. Быть ли России энергетической сверхдержавой? // Финансово-аналитическая газета. -2005. - № 23. - С. 5.
3. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справ. / Под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 588 с.
4. Оборудование для добычи нефти и газа / В. Н. Ивановский, В. И. Дарищев, А. А. Сабиров и др.: В 2 ч. - М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2003. - Ч. 2. - 640 с.
5. Корноухова С. В. Источники теплоснабжения нефтяных месторождений // Нефтяное хозяйство. -2004. - № 3. - С. 79-81.
6. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. -М.: Готика, 2000. - 236 с.
7. Новгородский Е. Е., Бурлаков В. Ю. Комплексное использование газа в теплоснабжении предприятий. - Ростов н/Д.: Изд-во РГСУ, 2000. - 274 с.
8. Ильин А. К., Шишкин Н. Д. Автономные теплоэнергетические комплексы (структура, характеристики, эффективность. - Ростов н/Д.: Южный науч. центр РАН, 2004. - 112 с.
9. Амерханов Р. А. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 2005. - 160 с.
Статья поступила в редакцию 29.06.2006
THE ESTIMATION OF EFFICIENCY OF POWER-SAVING TECHNOLOGES OF THE OIL AND GAS FIELDS
N. D. Shishkin
The estimation of efficiency of heat-and-power engineering in the oil and gas field is made. It is shown that the greatest economy of fuel-and-energy resources (FER) - from 57 up to 100 % is possible by use of renewable energy sources (RES) and secondary energy resources (SER) for the water heating up to the temperature 50-60 °C. The thermodynamic and economical efficiency of RES and SER application is proved.
