СОВМЕЩЕННЫЙ ФАКЕЛЬНЫЙ ОГОЛОВОК
COMBINED FLARE HEAD

Изобретение относится к газогорелочным устройствам и может быть применено в газовой промышленности для сжигания попутных и продувочных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения.
Одной из проблем, возникающих при сжигании продувочных и попутных газов, особенно содержащих конденсат и сероводородные соединения, является обеспечение максимально возможной полноты сгорания газов, получение продуктов сгорания с минимальным содержанием сероводородных соединений, не превышающих предельно допустимые нормы и уменьшение шума при работе горелки.
Известна горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3 (а.с. СССР №643719 от 06.01.77, МПК: F23D 13/20).
Недостатками известной горелки является неполное сгорание газа и конденсата, повышенное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.
Известна горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, нижний конец которой выведен в корпус, и на участке трубы, размещенном в корпусе, выполнено уширение с отверстиями по его образующей, при этом отношение площади зазора к площади выходного сечения трубы составляет 0,75-1,3, участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, а верхний торец отсасывающей трубки размещен на входе в указанное сопло (а.с. СССР №937888 от 01.10.80, дополнительное к а.с. №643719, МКИ F23D 13/20).
Указанная горелка работает следующим образом.
Сбрасываемый из скважины газ подается к трубе и разделяется на два потока. Первый поток газа поступает к соплу Лаваля, а второй поток - через отверстия трубы - в корпус горелки. При выходе из отверстий газ в начальный момент времени движется в направлении нижней части корпуса, а затем изменяет направление движения на противоположное и движется к боковому кольцевому зазору. При изменении направления движения газ отделяется от жидкой фазы (конденсата), которая собирается в нижней части корпуса. Очищенный поток газа, выходя из бокового кольцевого зазора, вследствие возникающего эффекта Коанда, прилипает к поверхности рассекателя и создает вокруг него зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Воздух смешивается с поступающим газом и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей конического участка рассекателя, к выходу первого потока газа.
Первый поток газа, выходя по трубе из сопла Лаваля, подсасывает из корпуса, при помощи отсасывающей трубки, конденсат. Поток конденсата, за счет повышенной скорости газа в узком сечении сопла Лаваля, дробится на мелкодисперсные капли, смешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает.
Основным недостатком данной горелки является то, что газ, поступающий по центральной трубе, поступает к профилированному соплу с давлением, значительно больше атмосферного, и повышенной скоростью, дополнительно разгоняется в сопле, что приводит к образованию скачков уплотнения за рассекателем, повышенному шуму и вибрациям при работе горелки, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины факела. Это влечет за собой уменьшение полноты сгорания не до конца очищенных газов и увеличение содержания вредных выбросов, в частности сероводорода и его соединений, в продуктах сгорания.
вх
вых
вх
вых
Известна факельная горелка, содержащая корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля, а внутри трубы установлены полые профилированные тела, каждое из которых имеет одно минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части, при этом число полых профилированных тел определено из соотношения n=Р/Р⋅k, где n - число полых профилированных тел; Р - давление на входе в трубу; Р - давление на выходе из трубы (атмосферное); k - коэффициент восстановления полного давления, равный 0,7-0,8 (патент РФ №2315239, МПК: F23D 13/20).
Указанная горелка работает следующим образом.
Сбрасываемый из скважины газ после входа в трубу разделяется на два потока.
Первый поток газа подается к соплу Лаваля, а второй поток - через отверстия в трубе - в кольцевой зазор между корпусом и трубой. Первый поток поднимается вверх по трубе, попадает в сужающуюся часть полого профилированного тела, сужается, проходит минимальное сечение и снова расширяется. За счет сжатия и последующего расширения газа происходит уменьшение давления газа на выходе из расширяющейся части, и в сужающуюся часть следующего профилированного тела газ поступает уже с меньшим давлением, чем в предыдущее, и, соответственно, меньшим, чем давление на входе в трубу. Таким образом, пройдя через несколько последовательно установленных профилированных тел и теряя на каждом из них давление за счет чередующихся процессов сжатия-расширения, газ поступает к профилированному соплу с заданным давлением, близким к атмосферному.
Первый поток газа, выходя по трубе из сопла Лаваля, подсасывает за счет разности скоростей, из кольцевой полости, образованной корпусом и трубой, при помощи всасывающей трубки, конденсат. За счет того, что оставшийся поток конденсата подается к выходной части сопла, обеспечивается его повышенная турбулентность и скорость на выходе из сопла и поток первоначально более эффективно дробится на мелкодисперсные капли, а затем перемешивается с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Полученная смесь газа, воздуха и конденсата бездымно сгорает, обеспечивая при сгорании пониженное содержание вредных примесей в продуктах сгорания.
Основным недостатком данной горелки является то, что на рассекателе образуется значительная неравномерность в скорости потока, что приводит к образованию скачков уплотнения за рассекателем, повышенному шуму и вибрациям при работе горелки, ухудшению условий смесеобразования и увеличению длины факела. Это влечет за собой уменьшение полноты сгорания не до конца очищенных газов и увеличение содержания вредных выбросов, в частности сероводорода и его соединений, в продуктах сгорания.
Известен наконечник факела для сжигания газов, содержащих примеси, в частности соединения сероводорода и окислы углерода, который содержит оголовки факелов топливного газа низкого и высокого давлений, трубопровод газа, содержащего примеси, при этом оголовки факелов низкого и высокого давлений установлены соосно и расположены с зазором в профилированной обечайке, преимущественно цилиндрической формы, в непосредственной близости друг от друга, оголовок факела топливного газа высокого давления выполнен в виде полой обечайки, преимущественно цилиндрической формы, внутри которой установлен газодинамический затвор, а в выходной части расположено устройство для придания потоку вращательного движения, выполненное, например, в виде нескольких пластин, установленных под углом к оси указанного оголовка, оголовок факела топливного газа низкого давления выполнен в виде полой обечайки, преимущественно, цилиндрической формы, внутри которой установлен трубопровод подачи газа, содержащего примеси, причем выходное сечение трубопровода газа, содержащего примеси, открывается в конфузор, установленный внутри указанного оголовка, между входным сечением конфузора и выходным сечением оголовка факела топливного газа низкого давления установлен газодинамический затвор, а в выходной части оголовка факела топливного газа низкого давления установлено устройство для придания потоку вращательного движения, выполненное, например, в виде нескольких пластин, установленных под углом к оси оголовка (Патент РФ №2382943, МПК: F23D 14/20, Заявка: 2008125395/06 от 25.06.2008 - прототип).
Указанный наконечник факела работает следующим образом.
Топливный газ под требуемым давлением из магистрали подготовки газа поступает на запальные устройства.
На вход запальных труб дежурных горелок поступает горючая газовоздушная смесь от генератора фронта горения. При полном заполнении подводящего трубопровода генератор фронта горения поджигает горючую смесь и бегущий огонь на выходе из запальной трубы производит розжиг дежурных горелок. Термопары, установленные в дежурных горелках, подают сигнал о наличии пламени на блок управления факелом. Топливный газ высокого давления поступает внутрь обечайки, проходит через газодинамический затвор и поступает на лопатки, установленные в выходной части обечайки. Проходя через лопатки, газ приобретает вращательное движение и выходит из оголовка факела в виде вращающегося цилиндра и поджигается огнем дежурных горелок. Топливный газ низкого давления поступает внутрь своей обечайки и внутри обечайки перемешивается с газом, содержащим примеси, подаваемым по трубопроводу. Подготовленная таким образом смесь проходит через газодинамический затвор и поступает на лопатки, установленные в выходной части обечайки. Проходя через лопатки, газ приобретает вращательное движение и выходит из оголовка факела низкого давления в виде вращающегося цилиндра и поджигается огнем дежурных горелок. Таким образом, за счет вращения потока подготовленной смеси на выходе из оголовка факела топливного газа низкого давления и вращения потока топливного газа на выходе из оголовка факела топливного газа высокого давления происходит взаимное перемешивание их как друг с другом, так и с воздухом, что обеспечивает более качественную подготовку смеси. При сгорании газов на оголовке высокого и оголовке низкого давления, установленных в тепловом экране, происходит взаимное влияние факелов друг на друга, при этом факел пламени оголовка топливного газа высокого давления, в котором сжигается чистый топливный газ, оказывает энергетическое воздействие на факел пламени оголовка топливного газа низкого давления. Такое воздействие позволяет обеспечить бездымное сгорание и пониженное содержание вредных примесей, в частности соединений сероводорода и окислов углерода, в продуктах сгорания.
Основными недостатками является сложность конструкции, наличие сажи на некоторых режимах работы, наличие вредных примесей в продуктах сгорания за счет неоптимальных условий сгорания газовоздушной смеси.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание совмещенного факельного оголовка, конструкция которого позволит обеспечить улучшенные условия смесеобразования и максимально возможную полноту сгорания газов с уменьшенным шумом и вибрациями при работе.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что предложенный совмещенный факельный оголовок, согласно изобретению, состоит, как минимум, из оголовка высокого давления, оголовка низкого давления и оголовка кислых газов, размещенных в непосредственной близости друг друга, предпочтительно на одной раме, и установленных в общем дефлекторе, при этом каждый оголовок высокого и низкого давления содержит полый профилированный корпус в виде трубы с коническим расширением в ее выходной части, внутри которого с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса размещен выходной рассекатель, выполненный в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса, а внутри корпуса установлено полое профилированное центральное тело, имеющее минимальное проходное сечение, расположенное в его выходной части, при этом в упомянутом кольцевом зазоре между выходной частью рассекателя и выходной конической частью корпуса установлены рассекатели, выполненные преимущественно в виде кронштейнов V-образного профиля, обращенных вершиной к входной части корпуса, причем в стенке выходной части конического расширения, между упомянутыми рассекателями, выполнены сквозные пазы, при этом на упомянутое коническое расширение полого корпуса установлена с профилированным кольцевым зазором наружная обечайка, причем полость упомянутого кольцевого зазора соединена с коллектором подачи воздуха, расположенным на полом профилированном корпусе, преимущественно, в месте перехода цилиндрической части корпуса в коническую, при помощи патрубков, полость которых соединена с полостью коллектора, установленных предпочтительно вертикально, при этом один конец указанных патрубков установлен на коллекторе, а другой конец размещен в непосредственной близости от входной части кольцевого зазора, при этом оголовок кислых газов расположен между оголовками высокого и низкого давлений и выполнен в виде трубы, выходное сечение которой установлено под углом к продольной оси горелки и направлено в сторону упомянутых оголовков.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий смесеобразования, уменьшении длины факела, получении повышенной полноты сгорания газовоздушной смеси за счет улучшения условий смесеобразования и возможности унификации горелок.
Указанные существенные признаки, в совокупности характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для горелок и устройств для сжигания топлива. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».
Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
В связи с тем, что представленное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы дожигания газов и изготовлено заявителем для конкретного месторождения, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид предложенного совмещенного факельного оголовка, на фиг. 2 показан осевой разрез предложенного совмещенного факельного оголовка, ветрозащитный дефлектор условно не показан, на фиг. 3 - вид сверху на совмещенный факельный оголовок, на фиг. 4 - совмещенный факельный оголовок в аксонометрии, ветрозащитный дефлектор условно не показан.
Совмещенный факельный оголовок состоит из оголовка высокого давления 1, оголовка низкого давления 2 и оголовка кислых газов 3, размещенных в непосредственной близости друг друга, предпочтительно, на одной раме.
Оголовок высокого давления 1 содержит полый профилированный корпус 4 в виде трубы с коническим расширением 5 в ее выходной части, внутри которого с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса размещен выходной рассекатель 6, выполненный в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса. Внутри корпуса установлено полое профилированное центральное тело 7, имеющее минимальное проходное сечение 8, расположенное в его выходной части. В кольцевом зазоре между выходной частью рассекателя 6 и выходной конической частью корпуса, установлены рассекатели 9, выполненные преимущественно в виде кронштейнов V-образного профиля, обращенных вершиной к входной части корпуса. В стенке выходной части конического расширения выполнены сквозные пазы 10, в которых установлены рассекатели 9. На упомянутое коническое расширение 5 полого корпуса установлена с профилированным кольцевым зазором 11 наружная обечайка 12. Полость профилированного кольцевого зазора 11 соединена с коллектором подачи воздуха 13, расположенным на полом профилированном корпусе 4, преимущественно в месте перехода цилиндрической части корпуса в коническую 5, при помощи патрубков 14, полость которых соединена с полостью коллектора 13 и установленных вертикально. Один конец указанных патрубков 14 установлен на коллекторе 13, а другой конец размещен в непосредственной близости от входной части кольцевого зазора 11.
Оголовок низкого давления 2 содержит полый профилированный корпус 15 в виде трубы с коническим расширением 16 в ее выходной части, внутри которого с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса размещен выходной рассекатель 17, выполненный в виде конуса, обращенного вершиной к входной части корпуса. Внутри корпуса установлено полое профилированное центральное тело 18, имеющее минимальное проходное сечение 19, расположенное в его выходной части. В кольцевом зазоре между выходной частью рассекателя 17 и выходной конической частью корпуса установлены рассекатели 20, выполненные преимущественно в виде кронштейнов V-образного профиля, обращенных вершиной к входной части корпуса. В стенке выходной части конического расширения, выполнены сквозные пазы 21, в которых установлены рассекатели 20. На упомянутое коническое расширение 16 полого корпуса установлена с профилированным кольцевым зазором 22 наружная обечайка 23. Полость профилированного кольцевого зазора 22 соединена с коллектором подачи воздуха 24, расположенным на полом профилированном корпусе 15, преимущественно в месте перехода цилиндрической части корпуса в коническую 16, при помощи патрубков 25, полость которых соединена с полостью коллектора 24 и установленных вертикально. Один конец указанных патрубков 25 установлен на коллекторе 24, а другой конец размещен в непосредственной близости от входной части кольцевого зазора 22.
Оголовок кислых газов 3 расположен между оголовками высокого 1 и низкого давлений 2 и выполнен в виде трубы 26, выходное сечение которой установлено под углом к продольной оси и направлено в сторону упомянутых оголовков.
Все три оголовка помещены в единый ветрозащитный дефлектор 27.
Работа оголовков рассмотрена на примере оголовка высокого давления 1, т.к. работа оголовка низкого давления 2 идентична работе оголовка высокого давления 1, за исключением того, что оголовок низкого давления 2 предназначен для бездымного сжигания высококалорийных углеводородных сбросов. Также оголовок высокого давления отличается от оголовка низкого давления некоторыми геометрическими размерами проходного тракта.
Предложенный совмещенный факельный оголовок работает следующим образом.
Оголовок высокого давления 1 предназначен для бездымного сжигания низкокалорийных углеводородных сбросов в широком диапазоне расходов и давлений. Оголовок оборудован вспомогательной эжекторной системой подачи воздуха в зону горения, позволяющей значительно расширить диапазон бездымной работы оголовка.
Горючий газ под давлением подается на вход оголовка. Далее газ проходит газодинамический затвор, предназначенный для защиты факельного ствола от внутреннего горения и образованный полым профилированным центральным телом 7 с минимальным проходным сечением 8. При прохождении через газодинамический затвор, давление газа снижается до уровня, обеспечивающего дозвуковую скорость истечения из оголовка. Далее газ проходит диффузор, образованный коническим расширением 5 корпуса 4, в котором происходит снижение скорости газа и выравнивание скоростного поля. Затем газ попадет на выходной рассекатель 6, сформированный набором косых лопаток рассекателей 9 и коническим расширением 5 корпуса 4. Рассекатель формирует многоструйный закрученный поток газа, который интенсивно перемешивается с окружающим воздухом. Для организации бездымной работы при низких числах Маха оголовок высокого давления оборудован системой подачи воздуха в зону горения. Воздух от воздушного компрессора (не обозначен) при соответствующем давлении подается в форсунки встроенных газовых эжекторов, выполненных в виде патрубков 14, которые обеспечивают подсос дополнительного воздуха с коэффициентом эжекции не менее 7. Выход встроенных газовых эжекторов совмещен с выходом из факельного оголовка и сформирован сквозным пазом 10 в коническом расширении 5 корпуса 4 и косым сгибом наружной обечайки 12. Выходная часть эжектора обеспечивается подачу воздуха в двух направлениях: внутрь и снаружи факела, что обеспечивает высокоэффективное смешение горючего газа с воздухом.
Применение встроенных газовых эжекторов обеспечивает значительное снижение потребной производительности компрессора, а также значительное уменьшение диаметров трубопроводов подачи воздуха в оголовок. В общем случае применение представленного типа оголовка значительно снижает капитальные вложения.
Представленный оголовок за счет примененных технических решений насыщает сжигаемый газ кислородом в количестве, достаточном для отсутствия сажи в широком диапазоне расходов.
Оголовок кислых газов 3 предназначен для термической утилизации газов, содержащих большое количество сероводорода и окиси углерода. Указанный оголовок участвует лишь в формировании струи газа. Полное сжигание указанных газов осуществляется в пламени факела высокого и низкого давления.
Проведенные испытания полноразмерного совмещенного факельного оголовка полностью подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенного технического решения позволит более эффективно организовать процесс подготовки смеси перед сгоранием, повысить полноту сгорания конденсатосодержащих газов и уменьшить содержание вредных примесей в продуктах сгорания за счет улучшения условий сгорания газовоздушной смеси.