Любое разрабатываемое сегодня месторождение нефти – это источник не только чёрного золота, но и многочисленных побочных продуктов, требующих своевременной утилизации. Современные требования, предъявляемые к уровню экологичности производства, заставляют операторов изобретать всё более эффективные методы переработки попутного нефтяного газа. В последние несколько лет этот ресурс проходит обработку и широко используется наряду с .

Попутный нефтяной газ, или сокращённо ПНГ – это вещество, залегающее в нефтяных месторождениях. Оно образуется над основным пластом и в его толще в результате снижения давления до показателей ниже давления насыщения нефти. Его концентрация зависит от того, насколько глубоко залегает нефть, и варьируется в пределах от 5 м 3 в верхнем слое до нескольких тысяч м 3 в нижнем.

Как правило, при вскрытии пласта нефтяники натыкаются на так называемую газообразную «шапку». Углеводородные газы существуют и самостоятельно, и присутствуют в самой нефти в жидком виде, отделяясь от неё в процессе и переработки. Сам газ состоит преимущественно из метана и более тяжелых углеводородов. Его химический состав зависит от внешних факторов, таких как география расположения пласта.

Основные виды

Ценность попутного нефтяного газа и перспективы его дальнейшей утилизации определяются долей содержания углеводородов в его составе. Так, вещество, выделяемое из «шапки», называют свободным газом, так как он состоит в основном из легкого метана. По мере погружения вглубь пласта его количество заметно уменьшается, уступая место другим, более тяжелым углеводородным газам.

Условно попутный нефтяной газ делится на несколько групп в зависимости от того, насколько он «углеводородный»:

• чистый, содержащий 95–100% углеводородов;
• углеводородный с примесью углекислого газа (от 4 до 20%);
• углеводородный с примесью азота (от 3 до 15%);
• углеводородно-азотный, в котором азот составляет до 50% объёма.

Принципиальное отличие попутного нефтяного газа от природного – наличие парообразных компонентов, высокомолекулярных жидкостей и веществ, не входящих в углеводородную группу:

• сероводорода;
• аргона;
• углекислоты;
• азота;
• гелия и т. д.

Способы переработки попутного нефтяного газа

Ещё в середине прошлого века ПНГ, неизбежно получаемый в процессе производства нефти, почти полностью сжигался в факелах. Переработка этого побочного продукта считалась настолько нерентабельной, что негативным последствиям от его сжигания долго не уделялось должного внимания со стороны общественности. Однако концентрация продуктов горения в атмосфере влекла за собой значительное ухудшение здоровья населения, что поставило перед химической промышленностью трудную задачу: переработка ПНГ и его практическое применение. Существует несколько наиболее востребованных способов утилизации попутного нефтяного газа.

Фракционный способ

Данный метод переработки ПНГ представляет собой разделение газа на составляющие. В результате процесса получают сухие очищенные газы и широкую фракцию легких углеводородов: эти и другие продукты пользуются большой популярностью на мировом рынке. Существенный недостаток этой схемы – необходимость конечным пользователям по трубопроводу. Поскольку СУГ, ПБТ и ШФЛУ тяжелее воздуха, они обладают свойством накапливаться в низинах и образовывать взрывоопасные облака, которые при взрыве способны нанести значительные разрушения.

Попутный нефтяной газ нередко используется для повышения нефтеотдачи на месторождениях через его обратную закачку в пласт – так давление повышается, и из одной скважины можно добыть на 10 тыс. т. нефти больше. Данный способ применения газа считается дорогостоящим, поэтому не получил широкого распространения на территории РФ и используется преимущественно в Европе. Основное преимущество способа заключается в его дешевизне: предприятию необходимо закупить лишь необходимое оборудование. В то же время подобные меры не утилизируют ПНГ, а лишь отсрочивают проблему на некоторое время.

Установка энергоблоков

Ещё одна значимая сфера эксплуатации попутного газа – это обеспечение энергией электростанций. При условии нужного состава сырья способ отличается высокой эффективностью и пользуется большой популярностью на рынке.

Ассортимент установок широк: компании наладили выпуск как газотурбинных, так и поршневых энергоблоков. Эти устройства позволяют обеспечить полноценное функционирование станции с возможностью вторичного использования вырабатываемого на производстве тепла.

Подобные технологии активно внедряются в нефтехимическую промышленность, так как компании стремятся к независимости от поставок электроэнергии РАО. Однако целесообразность и высокая рентабельность схемы может быть обусловлена только близким расположением электростанции к месторождению, так как затраты на транспортировку ПНГ превысят потенциальную экономию средств. Для безопасного функционирования системы газ нуждается в предварительной сушке и очистке.

Способ основан на криогенном процессе сжатия с использованием однопоточного холодильного цикла. Сжижение подготовленного ПНГ происходит через его взаимодействие с азотом в искусственно созданных условиях.

Потенциал рассматриваемого метода зависит от целого ряда условий:

• производительность установки;
• давление исходного газа;
• запас газа;
• содержание тяжелых углеводородов, этана и сернистых соединений и т. д.

Наиболее эффективно схема проявит себя, если устанавливать криогенные комплексы на распределительных станциях.

Мембранная очистка

Одна из наиболее перспективных на данный момент технологий. Принцип работы метода заключается в различной скорости, с которой компоненты попутного газа проходят сквозь специальные мембраны. С появлением половолоконных материалов способ приобрёл массу преимуществ над традиционными способами очистки и фильтрации ПНГ.

Очищенный газ подвергается сжижению и затем проходит через процедуру разделения в двух промышленных сегментах: для получения топлива или нефтехимического сырья. В результате процесса, как правило, образуется отбензиненный газ, который легко транспортируется, и ШФЛУ, которые отправляются на предприятия для производства каучука, пластмасс и топливных присадок.

Сфера применения ПНГ

ПНГ, как было упомянуто выше – это отличная альтернатива традиционным источникам энергии для электростанций, которая отличается высокой экологичностью и позволяет предприятиям сэкономить значительные средства. Ещё одна сфера – нефтехимическое производство. При наличии финансов возможно подвергнуть газ глубокой переработке с последующим выделением из него субстанций, пользующихся широким спросом и играющих важную роль и в промышленности, и в быту.

Помимо использования в качестве источника энергии на электростанциях и для производства в нефтехимической промышленности, попутный нефтяной газ нашел применение и как сырье для производства синтетического топлива (GTL). Эта технология только начала свое распространение, и, согласно прогнозам, она станет достаточно рентабельной при условии дальнейшего повышения цен на топливо.

На сегодняшний день за рубежом реализовано 2 крупных проекта и запланировано еще 15. Несмотря на кажущиеся огромными перспективы, схема еще не была апробирована в жестких климатических условиях, например, в Якутии, и с маленькой вероятностью сможет быть реализована в подобных регионах без каких-либо значительных изменений. Иными словами, даже при хорошем раскладе в России данная технология получит распространение далеко не во всех регионах.

Один из современнейших способов эффективного производственного применения попутного газа получил название «газлифт». Эта технология позволяет легко регулировать режим работы скважины, упростить ее обслуживание и успешно добывать нефть из месторождений с большим газовым фактором. Недостатком технологии является то, что перечисленные преимущества заметно повышают капитальные затраты на техническое оснащение скважины.

Сфера применения переработанного ПНГ должна определяться размером месторождения, откуда он был получен. Так, газ из небольших скважин уместно использовать на местах в качестве топлива, не затрачивая средств на его транспортировку, в то время как сырье в более крупных масштабах может подвергаться переработке и использованию на промышленных предприятиях.

Опасность для окружающей среды

Актуальность вопроса об утилизации и прикладном использовании попутного газа связана с тем негативным эффектом, который он оказывает, если его просто сжигать в факелах. При таком способе промышленность не только теряет ценное сырьё, но и загрязняет атмосферу вредными веществами, усиливающими парниковый эффект. Токсины и углекислый газ вредят и окружающей среде, и местному населению, увеличивая риск развития серьёзных заболеваний, в том числе онкологических.

Основным препятствием для активного развития инфраструктуры, которая бы занималась очисткой и переработкой попутного нефтяного газа, является несоответствие размеров налога на сжигаемый в факелах газ и затрат на его эффективное применение. Большинство нефтяных компаний предпочитают заплатить штраф, нежели выделять значительный бюджет на предприятия, защищающие окружающую среду, которые окупятся лишь спустя несколько лет.

Несмотря на трудности, связанные с транспортировкой и очисткой ПНГ, дальнейшее совершенствование технологий правильной утилизации этого сырья решит экологические проблемы многих регионов и станет базой для целой отрасли национального масштаба, стоимость которой в РФ, по самым скромным оценкам специалистов, составит около 15 млрд долларов.

Состав

Попутный нефтяной газ – смесь газов, выделяющаяся из углеводородов любого фазового состояния, состоящая из Метана , Этана , Пропана , Изобутана и Бутан , содержащая растворенные в ней высокомолекулярные жидкости (от пентанов и выше по росту гомологического ряда) и различного состава и фазового состояния примеси.

Приблизительный состав ПНГ

Получение

ПНГ является ценным углеводородным компонентом, выделяющимся из добываемых, транспортируемых и перерабатываемых, содержащих углеводороды минералов, на всех стадиях инвестиционного цикла жизни до реализации готовых продуктов конечному потребителю. Таким образом, особенностью происхождения нефтяного попутного газа является то, что он выделяется на любой из стадий от разведки и добычи до конечной реализации, из нефти, газа, (другие источники опущены) и в процессе их переработки из любого неполного продуктового состояния до любого из многочисленных конечных продуктов.

Специфической особенностью ПНГ является обычно незначительный расход получаемого газа, от 100 до 5000 нм³/час . Содержание углеводородов С З + может изменяться в диапазоне от 100 до 600 г/м³ . При этом состав и количество ПНГ не является величиной постоянной. Возможны как сезонные, так и разовые колебания (нормальное изменение значений до 15 %).

Газ первой ступени сепарации, как правило, отправляется непосредственно на газоперерабатывающий завод. Значительные трудности возникают при попытках использовать газ с давлением менее 5 бар . До недавнего времени такой газ в подавляющем большинстве случаев просто сжигался на факелах, однако, сейчас ввиду изменений политики государства в области утилизации ПНГ и ряда других факторов ситуация значительно изменяется. 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» был установлен целевой показатель сжигания попутного нефтяного газа в размере не более 5 процентов от объема добытого попутного нефтяного газа. В настоящий момент объемы добываемого, утилизируемого и сжигаемого невозможно оценить в связи с отсутствием на многих месторождениях узлов учета газа. Но по приблизительным оценкам это порядка 25 млрд м³ .

Пути утилизации

Основными путями утилизации ПНГ являются переработка на ГПЗ, генерация электроэнергии, сжигание на собственные нужды, закачка обратно в пласт для интенсификации нефтеотдачи (газлифтный способ).

Технология утилизации ПНГ

Основная проблема при утилизации попутного газа заключается в высоком содержании тяжелых углеводородов . На сегодняшний день существует несколько технологий, повышающих качество ПНГ за счет удаления значительной части тяжелых углеводородов. Одна из них - подготовка ПНГ с помощью мембранных установок. При применении мембран метановое число газа значительно повышается, низшая теплотворная способность (LHV), тепловой эквивалент и температура точки росы (как по углеводородам, так и по воде) снижаются.

Мембранные углеводородные установки позволяют значительно снизить концентрацию сероводорода и диоксида углерода в потоке газа, что позволяет использовать их для очистки газа от кислых компонентов.

Конструкция

Схема распределния газовых потоков в мембранном модуле

По своей конструкции углеводородная мембрана представляет собой цилиндрический блок с выходами пермеата, продуктового газа и входа ПНГ. Внутри блока находится трубчатая структура селективного материала, который пропускает только определенный вид молекул. Общая схема потока внутри картриджа показана на рисунке.

Принцип работы

Конфигурация установки в каждом конкретном случае определяется специально, так как исходный состав ПНГ может сильно разнится.

Схема установки в принципиальной конфигурации:

Напорная схема подготовки ПНГ

Основу попутного нефтяного газа составляет смесь легких углеводородов, включающая метан, этан, пропан, бутан, изобутан и другие углеводороды которые под давлением растворены в нефти (рис 1). ПНГ выделяется при снижении давления во время нефтеоотдачи или в процессе сепарации, по аналогии с процессом выделения углекислого газа при открытии бутылки шампанского. Как следует из названия, попутный нефтяной газ добывается попутно с нефтью и, по сути, является побочным продуктом нефтедобычи. Объем и состав ПНГ зависит от района добычи и конкретных свойств месторождения. В процессе добычи и сепарации одной тонны нефти можно получить от 25 до 800 м3 попутного газа.

Сжигание попутного нефтяного газа на промысловых факелах является наименее рациональным способом его использования. При таком подходе ПНГ становится, по сути, отходом процесса нефтедобычи. Сжигание может быть оправдано при определенных условиях, однако, как показывает мировой опыт, эффективная государственная политика позволяет достичь уровня сжигания ПНГ в размере нескольких процентов от общего объема его добычи в стране.

В настоящее время существуют два наиболее распространенных способа использования попутного нефтяного газа, альтернативные сжиганию на факелах. Во-первых, это закачка ПНГ в нефтеносные пласты для повышения нефтеотдачи или для возможного сохранения его как ресурса на будущее. Вторым вариантом является использование попутного газа в качестве топлива для электрогенерации (схема 1) и нужд предприятия на местах нефтедобычи, а также для выработки электроэнергии и передачи ее в общую электросеть.

При этом вариант использования ПНГ для электрогенерации также является способом его сжигания, тоько несколько более рациональным, так как при этом есть возможность получить полезный эффект и несколько уменьшить воздействие на окружающую среду. В отличии от природного газа, содержание метана в котором находится в диапозоне 92-98%, попутный нефтяной газ содержит меньше метана, но часто имеет значительную долю других углеводородных компонентов, которая может достигать более половины всего объема. В ПНГ также могут присутствовать неуглеводородные компоненты - углекислый газ, азот, сероводород и другие. Вследствие этого сам по себе попутный нефтяной газ не является достаточно эффективным топливом.

Наиболее же рациональным вариантом является переработка ПНГ - его использование в качестве сырья для газонефтехимии, - которая дает возможность получения ценных продуктов. В результате нескольких стадий переработки попутного нефтяного газа можно получить такие материалы, как полиэтилен, полипропилен, синтетические каучуки, полистрол, поливинилхлорид и другие. Эти материалы, в свою очередь, служат основой для широкой гаммы товаров, без которых немыслима современная жизнь человека и экономики, в том числе: обувь, одежда, тара и упаковка, посуда, оборудование, окна, всевозможные изделия из резины, товары культурно-бытового назначения, трубы и детали трубопроводов, материалы для медицины и науки и т.д. Нужно отметить, что переработка ПНГ позволяет также выделить сухой отбензиненный газ, являющийся аналогом природного газа, который может быть использован уже в качестве более эффективного топлива, чем ПНГ.

Показатель уровня извлеченного попутного газа, используемого для газонефтехимии, является характеристикой инновационного развития нефтяной и газонефтехимической отрасли, того, насколько эффективно используются в экономике страны углеводородные ресурсы. Рациональное использование ПНГ требует наличия соответствующей инфраструктуры, эффективного государственного регулирования, системы оценки, санкций и поощрения участников рынка. Поэтому доля используемого ПНГ для газонефтехимии также может характеризовать уровень экономического развития страны.

Достижение 95-98%-го уровня использования извлекаемого а масштабах страны попутного нефтяного газа и высокая степень его переработки с получением ценных продуктов, в том числе газонефтехимии, являются одними из важных направлений развития нефтяной и газонефтехимической отрасли в мире. Эта тенденция характерна для развитых стран, богатых углеводородным сырьем, таких как Норвегия, США и Канада. Она характерна и для ряда стран с переходной экономикой, например для Казахстана, а также развивающихся стран, например Нигерии. Нужно отметить, что Саудовская Аравия - лидер мировой нефтедобычи - становится одним из лидеров мировой газонефтехимии.

В настоящее время Россия занимает “почетное” первое место в мире по объемам сжигания ПНГ. В 2013 году этот уровень, по официальным данным, составлял около 15,7 млрд м3. В то же время, согласно неофициальным данным, объем сжигания попутного нефтяного газа в нашей стране может быть значительно выше - не менее 35 млрд м3. При этом, даже ориентируясь на данные официальной статистики, Россия значительно опережает по объемам сжигания ПНГ другие государства. Согласно официальным данным, уровень использования ПНГ иными способами, чем сжигание в факелах, в нашей стране в 2013 году составил в среднем 76,2%. Из них 44,5% пошло на переработку на газоперерабатывающие заводы.

Требования снижения уровня сжигания ПНГ и увеличения доли его переработки как ценного углеводородного сырья выдвигаются руководством нашей страны в течение последних нескольких лет. В настоящее время действует Постановление Правительства РФ №1148 от 08.11.2012, согласно которому нефтедобывающие компании обязаны платить высокие штрафы за сверхнормативное сжигание - свыше 5% -го уровня.

Важно отметить, что точность официальной статистики относительно уровня переработки вызывает серьезные сомнения. По мнению экспертов, перерабатывается существенно меньшая доля извлеченного ПНГ - порядка 30%. И та далеко не вся идет на получение продуктов газонефтехимии, значительная часть перерабатывается для производства электроэнергии. Таким образом, реальная доля эффективного использования ПНГ - как сырья для газонефтехимии - может составлять не более 20% от всего объема добываемого ПНГ.

Таким образом, даже на основании официальных данных, рассматривая только объемы сжигания ПНГ в факелах, можно сделать вывод, что ежегодно теряется более 12млн т ценного нефтехимического сырья, которое можно было бы получить путем переработки попутного нефтяного газа. Из этого сырья могли бы быть произведены важные продукты и товары для отечественной экономики, оно могло бы стать основой развития новых производств, создания новых рабочих мест, в том числе с целью замещения импортируемой продукции. Согласно оценке Всемирного банка, дополнительные доходы российской экономики от квалифицированной переработки ПНГ могли бы составить более 7 млрд долларов ежегодно, а по данным Министерства природных ресурсов и экологии, наша экономика каждый год теряет 13 млрд долларов.

В то же время, если учитывать объемы сжигания попутного газа на нефтепромыслах для собственных нужд и электрогенерации, возможности получения сырья и, соответственно, дополнительных выгод для экономики нашей страны могут быть в два раза выше.

Причины нерационального использования попутного газа в нашей стране связаны с целым рядом факторов. Нередко места добычи нефти находятся далеко от инфраструктуры сбора, транспортировки и переработки нефтяного газа. Ограниченный доступ к системе магистральных газопроводов. Отсутствие местных потребителей продуктов переработки ПНГ, отсутствие рентабельных решений по рациональному использованию - все это приводит к тому, что наиболее простым выходом для нефтедобывающих компаний зачастую является сжигание попутного газа на промыслах: в факелах или для выработки электроэнергии и бытовых нужд. Необходимо отметить, что предпосылки для нерационального использования попутного нефтяного газа формировались еще на начальных этапах развития нефтедобывающей промышленности, еще в советский период.

В настоящее время недостаточное внимание уделяется оценке экономических потерь государства от нерационального использования - сжигания попутного нефтяного газа на промыслах. Однако сжигание ПНГ наносит значительный ущерб не только экономике нефтедобывающих стран, но и окружающей сред. Экологический ущерб чаще всего имеет накопительный характер и приводит к долгосрочным, а зачастую и необратимым последствиям. Для того чтобы оценки экологического ущерба и экономических потерь не были усредненными и односторонними, а мотивация к решению проблемы была осмысленной, необходимо принимать во внимание масштабы нашей страны и интересы всех сторон.

Действующий

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

МЕТОДИКА
расчета выбросов вредных веществ в атмосферу
при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках

Дата введения 1998-01-01

РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским институтом охраны атмосферного воздуха

УТВЕРЖДЕН приказом Государственного комитета Российской Федерации по охране окружающей среды (от "8" апреля 1998 г. N 199)

ВВЕДЕН в действие с 01.01.98 сроком на пять лет для практического применения при учете и оценке выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

1. Введение

1. Введение

1.1. Настоящий документ:

(1) разработан в соответствии с Законом Российской Федерации “Об охране окружающей природной среды ” с целью получения данных о выбросах загрязняющих веществ при сжигании попутного нефтяного газа на факельных установках;

(2) устанавливает методику расчета параметров выбросов загрязняющих веществ от факельных установок разного типа;

(3) распространяется на факельные установки, эксплуатируемые в соответствии с действующими проектными нормами.

1.2. Разработчики документа: канд. физ.-мат. наук Миляев В.Б., канд. геогр. наук Буренин Н.С., канд. физ.-мат. наук Елисеев В.С., канд. физ.-мат. наук Зив А.Д., канд. техн. наук Гизитдинова М.Р., канд. техн. наук Турбин А.С.

2. Ссылки на нормативные документы

2.1. Правила устройства и безопасной эксплуатации факельных систем, утвержденных Госгортехнадзором России от 21.04.92 *1).
______________
* На территории Российской Федерации действуют "Правила безопасной эксплуатации факельных систем", утв. постановлением Федерального горного и промышленного надзора России от 10.06.03 N 83 . - Примечание "КОДЕКС".

2.3. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий .

3. Основные понятия и определения

3.1. Факельная установка - устройство для сжигания в атмосфере непригодного для использования в народном хозяйстве попутного нефтяного газа (ПНГ); является одиночным источником загрязнения атмосферы.

3.1.1. Высотная факельная установка - установка, в которой подача ПНГ под давлением в зону горения производится по вертикальному факельному стволу (трубе), высотой 4 м и более.

3.1.2. Горизонтальная факельная установка - открытый амбар с подачей попутного нефтяного газа под давлением в зону горения по горизонтальному факельному стволу (трубе); конструкция амбара обеспечивает выход горящего факела в атмосферу под углом 45°.

3.2. Продукты сгорания попутного нефтяного газа, покидающие факельную установку, а также несгоревшие компоненты, являются потенциальным источником загрязнения окружающей атмосферы вредными веществами.

Качественная и количественная характеристики выбросов вредных веществ определяются типом и параметрами факельной установки и составом сжигаемого ПНГ.

3.3. Конструкции высотных и горизонтальных факельных установок обеспечивают бессажевое горение попутного нефтяного газа при выполнении установленного "Правилами устройства и безопасной эксплуатации факельных систем", утв. Госгортехнадзором РФ от 21.04.92 следующего условия: скорость истечения сжигаемого газа должна превышать 0,2 от скорости распространения звука в газе.

3.4. Для оценки максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, источником которых являются факельные установки, настоящая методика предусматривает выполнение расчетов следующих параметров:

- мощности выброса вредных веществ;

- расхода выбрасываемой в атмосферу газовой смеси;

- высоты источника выброса над уровнем земли;

- средней скорости поступления в атмосферу газовой смеси;

- температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси.

4. Исходные данные

4.1. Проектные характеристики факельной установки

- диаметр выходного сопла, м;

- высота факельной трубы (для высотных факельных установок), м;

- расстояние от выходного сопла до уровня земли (для горизонтальных факельных установок), м;

(>0 для труб, проложенных выше уровня земли и <0 в противном случае);

- расстояние от выходного сопла до противоположной стены амбара (для горизонтальных факельных установок), м.

4.2. Измеряемые характеристики

4.2.1. Объемный расход (м/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ;

4.2.2. Скорость истечения ПНГ U, м/с.

4.2.3. Состав сжигаемого ПНГ (% об):

- метан ;

- этан ;

- пропан ;

- бутан ;

- пентан ;

- гексан ;

- гептан ;

- азот ;

- диоксид углерода ;

- сероводород (и/или меркаптаны).

5. Оценка производительности факельной установки

5.1. Объемный расход (м/с) и скорость истечения U (м/с), сжигаемого на факельной установке попутного нефтяного газа, измеряется экспериментально либо, при отсутствии прямых измерений, рассчитывается по формуле:

где U - скорость истечения ПНГ из выходного сопла факельной установки, м/с (по результатам измерений);

- диаметр выходного сопла, м (по проектным данным факельной установки).

При отсутствии прямых измерений скорость истечения U принимается в соответствии с "Правилами устройства и безопасной эксплуатации факельных систем" 1992 г., равной

при постоянных сбросах:

при периодических и аварийных сбросах:

где - скорость распространения звука в ПНГ, рассчитываемая согласно Приложению Г.

5.2. Массовый расход (кг/ч), сбрасываемого на факельной установке газа, рассчитывается по формуле:

где - плотность ПНГ, кг/м, (измеряется экспериментально, либо рассчитывается по объемным долям (% об) и плотностям (кг/м) компонентов - см. Приложение А).

5.3. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, (м/c):

где - объемный расход (м/с) сжигаемого на факельной установке ПНГ, рассчитываемый по формуле (5.1.1);

- объем продуктов сгорания (м /м), рассчитываемый по формуле 3 Приложения В;

- температура горения, рассчитываемая согласно п.8.3.

6. Расчет мощности выбросов вредных веществ в атмосферу

6.1. Расчет физико-химических характеристик сжигаемого попутного нефтяного газа

6.1.1. Расчет плотности , кг/м (формула 1 Приложения А).

6.1.2. Расчет условной молекулярной массы , кг/моль (формула 2 Приложения А).

6.1.3. Расчет массового содержания химических элементов (% масс.) в ПНГ (формулы 3 и 4 Приложения А).

6.1.4. Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле ПНГ (формулы 5 и 6 Приложения А).

6.2. Расчет физико-химических характеристик влажного воздуха

Для заданных метеоусловий:

- температура t, °С;

- давление Р, мм.рт.ст.;

- относительная влажность (в долях или %).

6.2.1. Определение массового влагосодержания d (кг/кг) влажного воздуха по номограмме (Приложение Б1).

6.2.2. Расчет массовых долей компонентов во влажном воздухе (формулы 2 и 3 Приложения Б).

6.2.3. Расчет количества атомов химических элементов в условной молекулярной формуле влажного воздуха (табл.3 Приложения Б).

6.2.4. Расчет плотности влажного воздуха кг/м (формула 5 Приложения Б).

6.3. Расчет стехиометрической реакции горения попутного нефтяного газа в атмосфере влажного воздуха

6.3.1. Расчет мольного стехиометрического коэффициента М (формула 2 Приложения В).

6.3.2. Определение теоретического количества влажного воздуха (м/м) , необходимого для полного сгорания 1 м ПНГ (п.3 Приложения В).

6.3.3. Расчет количества продуктов сгорания (м/м), образующихся при стехиометрическом сгорании 1 м ПНГ в атмосфере влажного воздуха (формула 3 Приложения В).

6.4. Проверка выполнения условий бессажевого горения попутного нефтяного газа на факельной установке

6.4.1. Расчет скорости распространения звука в сжигаемой газовой смеси (м/с) (формула 1 Приложения Г или графики 1-4 Приложения Г).

6.4.2. Проверка выполнения условия бессажевого горения:

6.5. Определение удельных выбросов вредных веществ на единицу массы сжигаемого попутного нефтяного газа (кг/кг)

6.5.1. Для оценок мощности выбросов оксида углерода, оксидов азота (в пересчете на диоксид азота), а также сажи в случае невыполнения условия бессажевого сжигания используются опытные значения удельных выбросов на единицу массы сжигаемого газа , представленные в нижеследующей таблице:

Таблица 6.1

В случае сжигания серосодержащего попутного нефтяного газа удельный выброс диоксида серы рассчитывается по формуле:

где - молекулярная масса , - условная молекулярная масса горючего, s - количество атомов серы в условной молекулярной формуле попутного нефтяного газа (см. Приложения А, А1).

При необходимости определения выбросов , , , следует руководствоваться формулами, приводимыми в приложении Е.

Вредные вещества при сжигании попутного нефтяного газа попадают в атмосферу также за счет недожога газа. Коэффициент недожога определяется или экспериментально для факельных установок определенной конструкции, или полагается равным 0,0006 при бессажевом сжигании и 0,035 в противном случае.

Удельные выбросы углеводородов (в пересчете на метан), а также содержащихся в газе сернистых соединений, таких как сероводород и меркаптаны, определяются по общей формуле:

(Уд. выброс) = 0,01* (коэф. недожога)* (массовая доля в %) (6.3)

7. Расчет максимальных и валовых выбросов вредных веществ

7.1. Расчет максимальных выбросов вредных веществ в (г/сек):

где - удельный выброс i-го вредного вещества на единицу массы сжигаемого газа (кг/кг) (Приложение Д);

- массовый расход сбрасываемого на факельной установке газа (кг/час) (см. формулу 5.2).

7.2. Расчет валовых выбросов вредных веществ за год (т/год):

где обозначения те же, что и в п.7.1, а t - продолжительность работы факельной установки в течение года в часах.

8. Расчет параметров факельной установки как потенциального источника загрязнения атмосферы

8.1. Расчет высоты источника выброса загрязняющих веществ в атмосферу над уровнем земли, Н(м)

8.1.1. Для высотных факельных установок:

где (м) - высота факельной трубы (устанавливается по проектным данным высотной факельной установки);

(м) - длина факела (рассчитывается по формуле (1) Приложения Ж, либо определяется по номограммам Приложения Ж.

8.1.2. Для горизонтальных факельных установок:

где (м) - расстояние от сопла трубы до противоположной стены амбара;

(м) - расстояние выходного сопла от уровня земли (со знаком “плюс”, если труба выше уровня земли, и со знаком “минус” в противном случае);

0,707 - коэффициент, учитывающий угол отклонения факела о вертикали.

8.1.3. Длина факела рассчитывается согласно Приложению Ж.

8.2. Расчет расхода и средней скорости поступления в атмосферу газовой смеси (продуктов сгорания)

8.2.1. Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку, (м/с) рассчитывается по формуле (5.3).

8.2.2. Средняя скорость поступления в атмосферу продуктов сгорания попутного нефтяного газа рассчитывается по формуле:

где (м) - диаметр факела.

рассчитывается по формуле:

где - длина факела (Приложение Ж).

8.3. Расчет температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси

8.3.1. Расчет удельных выбросов , и на единицу массы сжигаемого ПНГ (кг/кг) (Приложение Е).

8.3.2. Расчет низшей теплоты сгорания сжигаемого газа (ккал/м) (Приложение 3).

8.3.3. Расчет доли энергии, теряемой за счет радиации факела :

где - условная молекулярная масса ПНГ (Приложение А).

8.3.4. Расчет количества теплоты в продуктах сгорания попутного нефтяного газа для трех значений температуры горения (например, ; ; ) (ккал):

где (кг) - масса i-го компонента продуктов сгорания 1 м ПНГ (Приложение Е).

- средние массовые изобарные теплоемкости составляющих продуктов сгорания (таблица 3 Приложения В1).

8.3.5. Построение графика .

8.3.6. Определение величины T по графику , исходя из условия:

8.3.7. Определение температуры выбрасываемой в атмосферу газовой смеси:

Приложение А. Расчет физико-химических характеристик попутного нефтяного газа

Приложение А

Расчет физико-химических характеристик попутного нефтяного газа (п.6.1)

1. Расчет плотности(кг/м) ПНГ по объемным долям (% об.) (п.6.1.1) и плотности (кг/м) (таблица 3 Приложения А1) компонентов:

2. Расчет условной молекулярной массы ПНГ , кг/моль (п.6.1.2):

где - молекулярная масса i-го компонента ПНГ (таблица 2 Приложения А1).

3. Расчет массового содержания химических элементов в попутном газе (п.6.1.3):

Массовое содержание j-го химического элемента в ПНГ (% масс.) рассчитывается по формуле:

где - содержание (% масс.) химического элемента j в i-том компоненте ПНГ (таблица 4 Приложения А1);

- массовая доля i-го компонента в ПНГ; рассчитывается по формуле:

Примечание: если выбросы углеводородов определяются в пересчете на метан, вычисляется также массовая доля углеводородов, пересчитанных на метан:

При этом суммирование осуществляется только по углеводородам, не содержащим серу.

4. Расчет числа атомов элементов в условной молекулярной формуле попутного газа (п.6.1.4):

Количество атомов j-го элемента рассчитывается по формуле:

Условная молекулярная формула попутного нефтяного газа записывается в виде.

В отличие от природного газа попутный нефтяной газ содержит в своем составе кроме метана и этана большую долю пропанов, бутанов и паров более тяжелых углеводородов. Во многих попутных газах, в зависимости от месторождения, содержатся также неуглеводородные компоненты: сероводород и меркаптаны, углекислый газ, азот, гелий и аргон.

При вскрытии нефтяных пластов обычно сначала начинает фонтанировать газ нефтяных «шапок». Впоследствии основную часть добываемого попутного газа составляют газы, растворенные в нефти. Газ газовых «шапок», или свободный газ, является более «легким» по составу (с меньшим содержанием тяжелых углеводородных газов) в отличие от растворенного в нефти газа. Таким образом, начальные стадии освоения месторождений обычно характеризуются большими ежегодными объемами добычи попутного нефтяного газа с большей долей метана в своем составе. При длительной эксплуатации месторождения дебет попутного нефтяного газа сокращается, и большая доля газа приходится на тяжелые составляющие.

Закачка в недра для повышения пластового давления и, тем самым, эффективности добычи нефти. Однако в России, в отличие от ряда зарубежных стран, этот метод за редким исключением не используется, т. к. это высоко затратный процесс.

Использование на местах для выработки электроэнергии, идущей на нужды нефтепромыслов.

При выделении значительных и устойчивых объемов попутного нефтяного газа - использование в качестве топлива на крупных электростанциях, либо для дальнейшей переработки.

Наиболее эффективный способ утилизации попутного нефтяного газа - его переработка на газоперерабатывающих заводах с получением сухого отбензиненного газа (СОГ), широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), сжиженных газов (СУГ) и стабильного газового бензина (СГБ).

Крупная консалтинговая компания в сфере ТЭКа PFC Energy в исследовании "Утилизация попутного нефтяного газа в России" отметила, что оптимальный вариант использования ПНГ зависит от размера месторождения. Так, для малых месторождений наиболее привлекательным вариантом является выработка электроэнергии в малых масштабах для собственных промысловых нужд и нужд других местных потребителей.

Для средних месторождений , по оценкам исследователей, наиболее экономически целесообразным вариантом утилизации попутного нефтяного газа является извлечение сжиженного нефтяного газа на газоперерабатывающем заводе и продажа сжиженного нефтяного газа (СНГ) или нефтехимической продукции и сухого газа.

Для крупных месторождений наиболее привлекательным вариантом является генерирование электроэнергии на крупной электростанции для последующей оптовой продажи в энергосистему.

По мнению экспертов, решение проблемы утилизации попутного газа - это не только вопрос экологии и ресурсосбережения, это еще и потенциальный национальный проект стоимостью 10- 15 млрд долларов. Только утилизация объемов ПНГ позволила бы ежегодно производить до 5- 6 млн тонн жидких углеводородов, 3- 4 млрд кубометров этана, 15- 20 млрд кубометров сухого газа или 60- 70 тысяч ГВт/ч электроэнергии.

Президент РФ Дмитрий Медведев дал поручение правительству РФ принять меры по прекращению практики нерационального использования попутного газа к 1 февраля 2010 года.