Моделирование теплофизических процессов при утилизации попутного нефтяного газа

Учитывая суровые климатические условия районов Крайнего Севера, тяжелый физический труд, а также потребность населения в увеличении доли свежих овощей и зеленных культур в ежедневном рационе, сооружение тепличных хозяйств закрытого грунта непосредственно в районах добычи нефти и газа является одним из шагов на пути к сбережению здоровья.

Основная проблема обслуживания закрытого грунта в северных районах заключается в высоких затратах на энергообеспечение всего тепличного комплекса, что приводит к его неэффективности.

На сегодняшний день проблема решается с помощью доставки продуктов питания в отдаленные регионы при помощи транспорта, что ведет к их высокой стоимости и не обеспечивает сохранность и качество продукции.

Как известно, в нефтедобывающих районах очень остро стоит проблема утилизации попутного нефтяного газа. Согласно постановлению правительства № 1148 от 08.11.2012 г. «Об особенностях исчисления платы за выбросы загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа», предельно допустимое значение показателя сжигания на факельных установках и (или) рассеивания попутного нефтяного газа составляет не более 5% объема добытого попутного нефтяного газа [1]. В соответствии с показателями ведущих нефтяных компаний по объемам добычи и использования нефтяного попутного газа, большинство нефтедобывающих компаний не готово к утилизации 95% добытого попутного нефтяного газа.

Попутный газ в своем составе имеет такие «вредные» компоненты, как тяжелые углеводороды, меркаптаны, оксиды углерода, сероводород, азот, гелий и другие. Каждый из этих компонентов несет определенную нагрузку при загрязнении окружающей среды.

При факельном сжигании попутного нефтяного газа происходит загрязнение атмосферного воздуха оксидами азота и серы, что может способствовать выпадению кислотных осадков, что в свою очередь приводит к подкислению почвенного и снежного покрова, накоплению нитритов и сульфатов. Загрязнение литосферы совокупно распространяется на площадь порядка 100 тыс. га. Вблизи работы факельной установки происходит полное выжигание территории. Кроме того, это способствует увеличению количества лесных пожаров, снижение численности животных, насекомых и полезной микрофлоры почвы.

Также при нарушении технологических режимов работы факельной установки может происходить выделение бензола, фосгена, толуола, тяжелых металлов и других веществ. Упомянутые выше вещества приводят к загрязнению не только атмосферного воздуха, но и поверхностных водоемов, что ведет к отравлению водной фауны.

Для расчета экологических рисков от сжигания ПНГ необходимо знать факторы экологической опасности и методы оценки ущерба от их проявления. Результаты мониторинга экологической обстановки, данные об оценке воздействия на окружающую среду, данные экологической экспертизы и аудита помогут более точно оценить экологический риск. Нефтегазовый комплекс имеет технические объекты большой протяженности, которые пересекают значительные территории, изменяют ландшафты при строительстве и эксплуатации, нарушают сложившиеся веками экосистемы.

Экологический ущерб от сжигания ПНГ можно определить как сумму ущерба от загрязнения атмосферы, водных ресурсов, почвы, уничтожения биологических ресурсов, загрязнения территории побочными отходами (остатки оборудования, используемых материалов и т.д.). Ущерб от загрязнения водных ресурсов и почвы в целом может быть оценен по экономическим затратам, идущим на частичное или полное восстановление окружающей среды. Затраты на восстановление атмосферы от загрязнения не учитываются, так как происходит диффузия газов в воздухе.

Кроме того, следует не забывать об ущербе здоровью населения от загрязнения среды обитания. При постоянно действующих негативных факторах на организм человека начинаются необратимые изменения, влияющие на здоровье не только самого человека, но и на здоровье его будущего потомства. Для оценки риска здоровья человека можно использовать статистические показатели частоты смертей.

Таким образом, оценка экологического риска сжигания ПНГ на факельных установках нужна для решения следующих задач: выбор направлений стратегического развития предприятий на основе сравнения воздействия различных технологий на здоровье работников и населения и окружающую среду; принятие решений по реализации мер экологической безопасности на нефтегазодобывающих предприятиях; обмен информацией о возникающем риске между идентичными предприятиями.

При сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа, пользователями недр самостоятельно исчисляется и вносится плата за выбросы загрязняющих веществ [2].

Размер платы зависит от интегрального и фактического показателей сжигания. Интегральный показатель определяется методом агрегирования или дифференциации. Показатель сжигания определяется ежеквартально на основании суммы объемных характеристик показаний узлов учета ПНГ по участку недр, предоставленному в пользование. Также в расчете платы учитываются затраты на реализацию проектов по полезному использованию ПНГ, а также экологические факторы (состояние атмосферного воздуха) по территориям экономических районов страны.

Однако в связи с затянувшимся экономическим кризисом нефтяные компании ищут любые способы уменьшить штрафы за сжигание ПНГ. Но именно сейчас важно продолжать государственную «политику принуждения» к эффективному использованию попутного газа, в ином случае влияние на сформированные и уже запущенные проекты в нефтегазопереработке будет крайне негативным и необратимым.

На сегодняшний момент известны следующие способы утилизации ПНГ: закачка в пласт с целью поддержания пластового давления; закачка в подземные хранилища с целью возможности дальнейшего использования; использование в газопоршневых и газотурбинных установках в качестве топлива для получения электрической энергии. Также возможна транспортировка ПНГ до газоперерабатывающих заводов и их дальнейшая переработка внутри заводов. Все эти методы достаточно энергоемки и материально затратны, также требуют развития дополнительной инфраструктуры, что также несет в себе увеличение материальных затрат.

Авторами статьи ранее был рассмотрен вариант утилизации ПНГ в пиролизных установках для обогрева защищенного грунта. Техническое решение заключается в предварительной подготовке ПНГ с целью очистки от вредных примесей и его осушки, подведения газа к пиролизной установки, сжигания при температуре не менее 1200⁰С, получения углекислого газа и тепловой энергии. В дальнейшем полученное тепло используется для обогрева теплицы, углекислый газ – для создания оптимальных условий микроклимата, а полученная электрическая энергия – для освещения и поддержания работы автоматики [3].

Также для обогрева почвы теплицы в ней располагаются трубопроводы с теплоносителем, нагреваемым теплом от сгорания попутного газа. Эти трубопроводы могут быть выполнены, например, из поливинилхлоридных труб различных диаметров и располагаются не по всему объему, для того чтобы обеспечить нагрев непосредственно в месте произрастания культуры, с целью экономии материалов и уменьшения объема работ. Для контроля температуры теплоносителя на систему трубопроводов в подпочвенном пространстве установлены термодатчики.

Для создания необходимого для растений микроклимата в объеме теплицы, она должна иметь систему орошения. Нагрев воды для системы орошения в холодное время года также осуществляется теплом, получаемым от сгорания попутного нефтяного газа [5].

Для оценки оптимального расположения системы трубопроводов подпочвенного обогрева, необходимо провести дальнейшие исследования, смоделировав подведение теплоносителя к месту произрастания культуры.

Таким образом, целью исследования является моделирование теплофизических процессов в тепличном хозяйстве, обогреваемом ПНГ.

Для того чтобы определить, есть ли необходимость монтировать систему подогрева грунта, рассмотрена задача о температурном поле верхнего слоя грунта теплицы за счет конвективного теплообмена с внутренним микроклиматом. Предположим, что имеется полуограниченное тело, которое с одной стороны ограничено плоскостью, а с другой – простирается в бесконечность. Коэффициент теплопроводности λ постоянен. Пусть заданы температуры окружающей среды t_г и поверхности грунта t_с, которая поддерживается затем постоянной в течение всего процесса теплообмена.

При этом дифференциальное уравнение теплопроводности без внутреннего источника будет иметь вид:

при краевых условиях

причем отсутствует перепад температуры в бесконечно удаленной точке.

Подобные математические модели конвективного теплообмена были рассмотрены в работах [6, 7, 9], в которых изменение температуры было получено в виде функционального ряда.

Используя преобразования Фурье, решения данного уравнения можно представить в виде [8]:

Используя данную математическую модель передачи теплоты полуограниченному телу, были проведены расчеты изменения температуры слоя грунта в теплице без внутреннего источника тепла. Для этого приняты следующие допущения:

1. средняя температура на поверхности грунта 17°С;

2. температура воздуха в теплице 24°С.

Полученные решения представлены на рис. 1.

РИС. 1. Изменение температуры грунта без внутреннего подогрева

Как видно из графиков, температура плодородного слоя грунта опускается ниже 10°С, что может сказаться негативно на корневой системы растений. Поэтому требуется изнутри подогревать грунт.

Одним из универсальных способов поддержания температуры земли в пределах нормы является водяная система обогрева. К некоторым достоинствам данной системы относят низкую стоимость в обслуживании и образующийся на трубах конденсат, который дополнительно увлажняет почву.

Рассмотрен случай нагрева слоя грунта толщиной 30 см. Данная задача сведена к расчету распределения температуры неограниченной пластины, нагреваемой при помощи конвективного теплообмена (за счет воздуха в теплице), и теплоотдачи от стенок труб водяной системы обогрева грунта. При этом температура на поверхности поддерживается постоянной t_c, а противоположная – при постоянной, но иной температуре t₀. Теплообмен сопровождается нагревом материала с постоянным коэффициентом температуропроводности a и с постоянным коэффициентом теплоотдачи α.

Уравнение теплопроводности без внутреннего источника будет иметь вид:

граничные условия можно записать следующим образом:

Решение данного уравнения записывается в виде функционального ряда [8]:

Для расчета изменения температуры в слое грунта были приняты следующие допущения:

1. толщина грунта 30 см (R=30);

2. поскольку под трубы в земле укладывается тепло- и гидроизоляция, то все тепло от труб расходуется на нагрев грунта;

3. температура воздуха в теплице 24°С (t_c = 24);

4. температура стенок труб водяной системы обогрева 14°С (t₀ = 14);

5. коэффициент теплопроводности λ постоянен.

В результате выполненных расчетов диапазон изменения температур находится в допустимых пределах (рис. 2).

РИС. 2. Изменение температуры грунта при подогреве

Адекватность математических моделей конвективного теплообмена проверена путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными по критерию Фишера [4]. Модели адекватны с надежностью 95%.

Таким образом, разработав модель подведения тепла к растениям, мы можем оптимизировать использование имеющихся энергетических ресурсов, способствовать увеличению урожайности произрастаемых культур, что благоприятно скажется на продовольственной безопасности стратегических районов Крайнего Севера.

Литература:

1. Постановление правительства РФ №1148 от 08.11.2012 «Об особенностях исчисления платы за выбросы загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа».

2. Приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 5 августа 2013 г. №274 «Об утверждении инструктивно-методических указаний по взиманию платы за выбросы загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа».

3. Выгузова М.А., Касаткин В.В., Кудряшова А.Г., Ильин А.П. Разработка конструкции теплицы, обогреваемой с помощью попутного нефтяного газа // АгроЭкоИнфо. – 2016, №3.

4. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. / В.Е. Гмурман – М.:Высшая школа, 1977. – 479 с.

5. Заявка на полезную модель №2015148737 Теплица, обогреваемая с помощью попутного нефтяного газа / М.А. Выгузова, В.А. Никулин, В.В. Касаткин, А.П. Ильин, А.Г.Кудряшова, Н.Ю. Касаткина, А.А. Соловьева. – 2015148737; заявлено 12.11.2015.

6. Ильин А.П. Математическая модель процесса пиролиза льняной костры./ А.П. Ильин, Р.Р. Якупов, Л.С. Воробьева// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. №6. С. 20 – 21.

7. Ильин А.П. К математической модели пиролиза древесных опилок в вихревом газогенераторе / А.П. Ильин, Л.С. Воробьева, Н.Ю. Литвинюк, Р.Р. Якупов // Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса: материалы Всероссийской научно-практической конференции 20 – 21 октября 2009 г. / ФГОУ ВПО ИжГСХА. – Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2009 – с. 181 – 186.

8. Лыков А.В. Теория теплопроводности. / А.В. Лыков – М.: Высшая школа, 1967. – 596 с.

9. Vyguzova M.A. Development of the mathematical model of vermicomposting process / M.A.Vyguzova, A.P.Ilyin, A.G.Kudriashova // IEEE International Conference on Industrial Engineering, 2016.