Исследование жирного газа нижнемеловых отложений Медвежьего НГКМ как эффективного источника топлива для котельных

Ямало-Ненецкий автономной округ, Надымский район, п.г.т.Пангоды

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Центр образования»

Исследовательская работа

Исследование жирного газа нижнемеловых отложений Медвежьего НГКМ как эффективного источника топлива для котельных

Автор: Котов Алексей Александрович, 2006 года рождения

обучающийся 11 б Газпром - класса МОУ  «Центр образования»

Руководители: Сороколетова Лада Юрьевна, учитель физики первой квалификационной  категории МОУ  «Центр образования»

п.г.т.Пангоды

                                                                  2023

Содержание

Введение

Актуальность выбранной темы связана с тем, что современные газовые месторождения, на которых в основном добывается природный газ и газовый конденсат, всё больше входят в период падающей добычи. В связи с этим, появляется необходимость в разработке более глубоких горизонтов, в которых доля газа выветривания при стабилизации газового конденсата, так называемого, жирного газа газоконденсатных месторождений значительно возрастает, что становится более актуальным с точки зрения энергоэффективных мероприятий на производстве

Гипотеза: если сопоставить теплотехнические характеристики  жирного газа и метана, рассчитать экономическую эффективность жирного газа по сравнению с метаном, то можно использовать жирный газ нижнемеловых отложений Медвежьего НГКМ  в качестве более выгодного топлива для котельных

Объект изучения: жирный газ

Предмет исследования: возможность использования жирного газа апт-альбских и берриас-валанжинских отложений Ныдинского участка Медвежьего НГКМ для собственных нужд в условиях газового промысла

Цель: проанализировать экономическую эффективность использования жирного газа на собственные технологические нужды в условиях производственной деятельности в качестве топлива для котельных

Задачи:

- определить динамику образования запасов жирного газа;

- рассмотреть экономические предпосылки использования жирного газа;

- рассчитать экономическую эффективность использования жирного газа на собственные технологические нужды;

-подвести итоги исследований и сделать выводы о  рентабельности  использования жирного газа месторождения Медвежье на собственные технологические нужды.

Методы: теоретический анализ и обобщение научно-публицистической литературы; материалов СМИ и Internet - ресурсов; сбор данных; работа с источниками; сравнительный анализ возможных действий и обобщение исследуемого материала;  консультации с сотрудниками Медвежинского ГПУ.

Совокупность данных методов позволяет всесторонне проанализировать предмет исследования и реализовать поставленные в данной работе цели и задачи.

Глава 1. Теоретические аспекты использования жирного газа нижнемеловых отложений Медвежьего НГКМ

1.1. Краткая характеристика месторождения Медвежье

Медвежье газоконденсатное месторождение располагается на севере Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции, в Надымском районе Ямало-Ненецкого автономного округа. По запасам свободного газа месторождение является уникальным. Газ метановый - 99,152 % от общей добычи. Месторождение открыто в 1967 году. Разрабатывается с 1972 года. Первоначально запасы газа были утверждены в объеме 2347 млрд.м3. Западно-Сибирская провинция делится на три нефтегазоносных комплекса: юрский, неоком-аптский и апт-сеноманский. Основные запасы газа приурочены к сеноманским отложениям, которые являются объектом разработки. Ныдинский участок Медвежьего месторождения введен в разработку в 2011 г.

Компонентный состав и основные свойства стабильного конденсата на первый год ввода в эксплуатацию представлен в таблице 1:

1.2. Характеристика химических свойств природных углеводородов  

Химический состав добываемого природного газа различается  в зависимости от месторождения. В состав добываемого газа входят углеводородные компоненты СН4 и его гомологи с показателем С2+ и выше: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10, пентан С5Н15 и т.д.

Углеводороды, начиная с этана, считаются тяжелыми, характерны для газоконденсатных и нефтяных месторождений.

Качество газа как топлива, как энергоносителя зависит от содержания в нем метана. По содержанию в добываемом газе метана и тяжелых углеводородов различают сухие и жирные газы.                

И сухой, и жирный газ образуются из останков древних организмов, миллионы лет пролежавших там, куда не проникает воздух. Добывают их одинаково, но состав разный. В сухом газе до 95% простейшего углеводорода, метана. Жирным газ делают примеси более тяжелых углеводородов: от газов — этана, пропана и бутана, до веществ, которые при комнатной температуре и нормальном давлении представляют собой жидкости. Самые тяжелые компоненты жирного газа — это те же вещества, что составляют самые легкие фракции нефти. После добычи нефть нагревают, легкие компоненты первыми превращаются в газ и поднимаются вверх; их собирают и отправляют на переработку, чтобы получать пластик, лаки и краски, некоторые ингредиенты косметики и лекарств, клеи, моторные масла. Все это можно делать и из тяжелой фракции жирного газа.

Всего в РФ на сухой газ приходится около 42% разведанных запасов свободного газа. Остальной объем составляет жирный газ, около половины запасов которого, содержится в недрах Ямало-Ненецкого автономного округа, примерно 13% – на шельфе Баренцева моря, около 10% – в Астраханской области, около 9% – в месторождениях Сибирского федерального округа.

По сравнению с сухим жирный газ очень сложен для транспортировки и переработки. Трубопровод для него требует подогрева, без этого более тяжелые фракции могу дать конденсат, из-за которого давление в трубе упадет, и скорость движения газа резко снизится. Несмотря на его очевидную ценность, газовая отрасль относительно недавно взялась за него всерьез. Есть технологические сложности: жирный газ — даже не газ в полном смысле слова: тяжелые углеводороды присутствуют в нем не в газовой фазе, а в виде маленьких капель жидкости. Такую разнофазную смесь трудно измерить, трудно транспортировать, и обязательно нужно разделять, для чего приходится строить специальные сепараторы и разделительные установки, специальные трубопроводы для транспорта или химические предприятия неподалеку от месторождений.

1.3. Основные физические характеристики  жирного газа

Эффективность использования различных видов топлива в качестве источника тепловой энергии связана с условиями его добычи, сжигания, хранения, транспортировки, обеспечением безопасности.

Основными теплотехническими характеристиками  являются теоретическая температура горения, теоретический и действительный объем воздуха, объемы сгорания, образующихся при горении  расчетных (теоретических) и реальных условиях, удельная теплота сгорания.

Удельная теплота сгорания – это количество теплоты, выделяющееся при сжигании 1 кг твердого топлива или 1 м3 горючего газа. Для газообразного топлива измеряется в мегаджоулях на кубический метр (МДж/м3), либо килокалориях на кубический метр (ккал/м3), что необходимо для сопоставления различных видов топлива: твердого, жидкого и газообразного.

При сжигании всех видов топлива, в составе компонентов которого есть водород, в продуктах сгорания образуются пары воды. Если эти пары уйдут в атмосферу, они унесут часть тепла. Если вода сконденсируется в оборудовании, она отдаст тепло.

Для практических расчетов используются два понятия: низшая теплота сгорания Qн и высшая теплота сгорания Qв. Высшая теплота сгорания учитывает всю теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива. Низшая теплота сгорания топлива не учитывает теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Физические характеристики углеводородных компонентов природного газа представлены в таблице 2:

Таким образом, из таблицы видно, что при сгорании жирного газа выделяется больше теплоты, чем при сгорании метана. В настоящее время почти все электростанции, бытовые плиты, заводское оборудование рассчитаны на метан и меньшее количество теплоты.

1.4. Система теплоснабжения Надымского района

Стратегической целью развития нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности муниципального образования Надымский район является сохранение позиций по объемам добычи в Ямало-Ненецком автономном округе, а также развитие топливно-энергетического комплекса в части создания условий для развития на территории района производств по переработке топливно-энергетических ресурсов с целью увеличения добычи газа и газового конденсата, путем вовлечения в промышленную разработку более новых горизонтов, которые по своим запасам позволят увеличить сроки жизнедеятельности месторождения.

Приоритетными направлениями развития нефтегазодобывающей промышленности Надымского района являются:

- развитие топливно-энергетического комплекса за счет реконструкции и эксплуатации действующих месторождений углеводородов;

- увеличение объемов добычи природного, попутного газа, нефти и газового конденсата;

- развитие новых объектов и освоение более эффективных способов разведки и разработки месторождений углеводородного сырья.

Продление жизненного цикла месторождения имеет крайне важный социальный аспект – это позволит на длительный период обеспечить занятость населения в поселках и городах, построенных для эксплуатации существующих, а в перспективе – и вновь вводимых месторождений.

Производство тепловой энергии на территории Надымского района осуществляется организациями, эксплуатирующими котельные на праве хозяйственного ведения или по договорам аренды, заключенным с собственником генерирующего оборудования.

         В муниципальном образовании Надымский район теплоснабжение осуществляется 41 источником тепловой энергии. Тепловые сети отопления и горячего водоснабжения осуществляют распределение тепловой энергии для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения объектов жилищного фонда, социальной инфраструктуры и производственных объектов. Общая протяженность тепловых сетей в районе составляет около 210,363 км.

Плановые значения объема полезного отпуска тепловой энергии в 2023 году представлены в таблице 3:

Анализ плановых значений объема полезного отпуска (реализации) тепловой энергии в 2023 году составит 857 317 Гкал.

Развитие системы теплоснабжения напрямую зависит от вариантов прироста численности населения, что влечет за собой необходимость строительства нового жилищного фонда для жителей поселка Пангоды (далее п.г.т. Пангоды)

Развитие систем теплоснабжения на перспективу до 2031 года учитывает увеличение размера застраиваемой территории, улучшение качества жизни населения и предусматривает мероприятия по строительству, реконструкции и модернизации объектов теплоснабжения.

В п.г.т. Пангоды принята централизованная система теплоснабжения, при которой тепловая энергия вырабатывается в котельных.

Централизованная система теплоснабжения охватывает всю территорию поселка за исключением зон с индивидуальным теплоснабжением в частном малоэтажном жилищном фонде. Система теплоснабжения в части обеспечения тепловой энергией закрытая. В системе теплоснабжения поселка котельные работают по температурному графику 95/70 °С. Основным топливом для котельных является природный газ, резервное топливо – отсутствует.

Глава 2 Сопоставление теплотехнических характеристик  жирного газа и метана

2. 1 Обоснование потребности в основных видах ресурсов для технологических нужд

Глубина извлечения жидких углеводородов из пластового газа, поступающего на вход УКПГ, зависит от давления и температуры в низкотемпературном сепараторе (НТС). Чем ниже температура в НТС, тем больше из пластового газа извлекается компонентов С5+, при этом в составе нестабильного конденсата (НК) повышается содержание компонентов С3-С4, которые необходимо будет удалить при стабилизации.

В соответствии с технико-экономическим анализом глубины извлечения жидких углеводородов из пластового газа, поступающего на вход УКПГ – при температуре - 30°С и -35°С в низкотемпературном сепараторе, оптимальным является вариант поддержания температуры в НТС минус 30°С.

Стабилизация нестабильного газового конденсата  для удаления легких фракций углеводородов осуществляется методом ступенчатого разгазирования. Нестабильный газовый конденсат последовательно проходит через выветриватели с рабочим давлением 0,5 МПа, 0,3 МПа и дегазируется. Нагрев газового конденсата выполняется трубными пучками, в качестве теплоносителя используется горячая вода от котельной. Температура нагрева газового конденсата при стабилизации зависит от режима работы шлейфов (зима-лето) и состава добываемой продукции и находится в пределах 30-680С.

В таблице 4  приведены данные о выходе продуктов работы УКПГ-Н и температуре в НТС минус 300С:

Анализ таблицы показывает, что объемы газа выветривания (С5+) на выходе  при различном пластовом давлении в последующие годы составляют 68 362 кг/ч.

2.2 Экономическая эффективность переработки жирного газа

На территории п.г.т. Пангоды отпуск тепловой энергии осуществляется из системы теплоснабжения, включающей:

- производственные котельные – 3 производственных источника тепловой энергии: котельная № 5 (включает в себя паровой и водогрейный блок), котельная № 6 и котельная № 7 общей установленной мощностью 25,74 Гкал/ч.

- отопительные котельные – централизованное теплоснабжение бытовых потребителей поселка городского типа Пангоды осуществляется от 5 котельных общей мощностью 113,12 Гкал/ч по состоянию на 2023 год.

Значение полезного отпуска (реализация) тепловой энергии составляет 106544 Гкал.

Рассмотрим экономическую эффективность переработки жирного газа по сравнению с метаном на примере котельной № 2 «АБМК 13 т/ч», которая введена в эксплуатацию в 2018 году. В таблице 5 приведена информация по котельной № 6 «РСУ» АБМК-16,8 МВт:

Рассчитаем показатели котлов №1 ТТ-100 с топливом из углеводородов С5+ на примере этана С2Н6.

Чтобы рассчитать расход топлива котлом необходимо знать три величины:

1. Теплопроизводительность (тепловая мощность, паропроизводительность) котла

2. Коэфиициент полезного действия котла

3. Низшую теплоту сгорания топлива на рабочую массу (др. названия – теплотворная способностью топлива, калорийность топлива)

Теплопроизводительность котла – количество произведенной котлом  полезной тепловой энергии в единицу времени. Измеряется в  МВт или Гкал/ч (1Гкал=1,16 МВт). Слово «полезной» означает, что это та часть энергии, которая вместе с теплоносителем выходит из котла к потребителю теплоты для использования в нужных (полезных) потребителю целях.

Паропроизводительность – количество пара производимого котлом в единицу времени. Измеряется в т/ч или кг/с  (1т/ч=0,278 кг/с).

Перевод паропроизводительности в теплопроизводительность осуществляется по формуле:

где D - паропроизводительность, т/ч

 – энтальпия пара на выходе из котла, кДж/кг

Энтальпия пара - это количество тепловой энергии, которое нужно для получения 1 кг пара данных параметров из 1 кг воды температурой 0°С, если нагревать воду при постоянном давлении.

 – энтальпия воды на входе в котел, кДж/кг

Расход топлива котла рассчитывается по формуле

где Q – теплопроизводительность котла, МВт

– низшая теплота сгорания рабочего топлива, МДж/кг

 – коэффициент полезного действия котла, %

В таблице 6 представлены расчеты по котельной № 6 «РСУ» АБМК-16,8 МВт при использовании этан С2Н6 (жирного газа) в качестве топлива:

Анализируя результаты расчетов из таблицы 5 и 6 нужно отметить, что при использовании компонентов С5+ уменьшается удельный расход топлива (брутто)  в 4,2 раза при неизменной тепловой мощности.

Заключение

Если сопоставить теплотехнические характеристики  жирного газа и метана, рассчитать экономическую эффективность жирного газа по сравнению с метаном, то можно использовать жирный газ нижнемеловых отложений Медвежьего НГКМ  в качестве более выгодного топлива для котельных, так ка развитие систем теплоснабжения на перспективу до 2031 года учитывает увеличение размера застраиваемой территории, улучшение качества жизни населения и предусматривает мероприятия по строительству, реконструкции и модернизации объектов теплоснабжения.

Литература

1. Природный газ. Экологические предпосылки [Электронный ресурс] Режим доступа: http://dolgikh.com/index /0-35.-Загл. с экрана.

2. Энергетика России: состояние и перспективы развития [Электронный ресурс] Режим доступа: http://pt21.ru/docs/pdf/20.pdf.-Загл. с экрана.

3. Об утверждении схемы теплоснабжения муниципального округа Надымский район ЯНАО на период 2022-2026 годов и на перспективу до 2031 года https://nadym.yanao.ru/documents/active/187121/ 

4. Классификация запасов углеводородов (природный газ) / Г.И. Облеков, Р.Г. Облеков // Материалы Всерос. научно-практич. конфер. «Проблемы и перспективы комплексного использования низконапорного газа в устойчивом развитии социальной сферы газодобывающих регионов» (Надым, март 2003 года). М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003. С.66-72.

5. Елистратов В.В., Коломийцев В.В. Основные проблемы эксплуатации крупнейших газовых месторождений Надым-Пур-Тазовского региона на завершающей стадии // Материалы Всерос. научно-практич. конф. «Проблемы и перспективы комплексного использования низконапорного газа в устойчивом развитии социальной сферы газодобывающих регионов» (Надым, март 2003 года). М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003. С. 104-107.

7. Приказ Министерства природных ресурсов от 1 ноября 2005 года №298 «Об утверждении классификации запасов и прогнозных ресурсов нефти и горючих газов»; зарегистрирован в Минюсте России 23 декабря 2005 года, №7296 [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.ngfr.ru/article.html?040.- Загл. с экрана.

8. Нефть и газ России в XXI в: прогноз добычи и развития сырьевой базы/ А.И.Гриценко, Н.А.Крылов, В.В.Аленин и др. // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2001, №3. С.10-19.

9. Ланчаков Г.А. Повышение эффективности доразработкисеноманских газовых залежей на основе системного совершенствования технологий добычи и подготовки газа. Автореф.дис. канд.техн. наук. Москва, 2006.С. 8-10.

10. ПРИКАЗ Министерстве энергетики РФ от 30 декабря 2008 года № 323 «Об утверждении порядка определения нормативов удельного расхода топлива при производстве электрической и тепловой энергии» https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293824/4293824481.htm 

11. Крылова А.Ю., Козюков Е.А. Получение жидких углеводородов из природного газа [Электронный ресурс] Режим доступа: http://gazohimiya.ru/content/view/10/19/. -Загл. с экрана.

12. Роль ООО «ВНИИГАЗ» в развитии газопереработки /А.В.Мамаев, И.Б.Кисель, С.В.Шурупов и др. // Переработка природного газа и конденсата. Новые разработки: Сб. научн. Трудов. М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2008.С.3-17.