ФАКЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
FLARE SYSTEM

Изобретение относится к системам сжигания технологических выбросов огнеопасных паров и газов и может быть использовано в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Известна факельная система, содержащая источники сброса, факельный трубопровод и факел (Брейман М.И. Инженерные решения по технике безопасности в пожаро- и взрывоопасных производствах. М.: Химия, 1974, с.153).
Недостаток известной системы - неполное сжигание газов на факеле, что приводит к загрязнению атмосферы.
Известна факельная система, содержащая технологическую печь, факел и факельный трубопровод с установленным на нем автоматическим затвором, выполненном в виде заслонки (Рудин М.Г., Арсеньев Г.А., Васильев А.В. Общезаводское хозяйство. НПЗ. Л.: Химия, 1978, с.286).
Недостаток указанной системы состоит в невысокой надежности, поскольку при срабатывании предохранительного клапана давление возрастает мгновенно, что приводит к закупорке факельной линии и возникновению аварийной ситуации вследствие длительности времени, необходимого для открывания заслонки.
Известна факельная система (авторское свидетельство на изобретение №877241. 30.10.81. Бюл. №40), которая содержит технологическую печь и факельный трубопровод с установленным на нем автоматическим затвором, выполненным в виде поворотной заслонки, укрепленной на валу, вал заслонки расположен с эксцентриситетом по отношению к оси трубопровода и снабжен рычажной системой с грузом и мембранным приводом, соединенным с факельным трубопроводом после заслонки.
Однако указанная факельная система характеризуется большой колебательностью движения поворотной заслонки, укрепленной на валу с эксцентриситетом по отношению к оси трубопровода и соединенной рычажной системой с грузом и с мембранным приводом, соединенным с факельным трубопроводом после заслонки. Поворотная заслонка данной системы после первичного резкого открытия от первого фронта залпового выброса совершает почти полное или полное закрытие трубопровода, что приводит к существенному повышению давления (гидравлическому удару) в трубопроводе до заслонки. При выбросе основной массы газа из трубопровода на факел заслонка также совершает часто ударные колебательные движения из открытого положение в полностью закрытое положение.
Технический результат изобретения - изменение структуры колебательности заслонки факельной системы при сбросе газа на факел за счет уменьшения скорости движения заслонки на закрытие по отношению к скорости движения ее на открытие.
Поставленная задача решается тем, что в факельной системе, содержащей технологическую печь и факельный трубопровод с установленным на нем автоматическим затвором, выполненным в виде поворотной заслонки, укрепленной на валу с эксцентриситетом по отношению к оси трубопровода, рычага с грузом и мембранного привода, толкатель которого соединен с рычагом, а подмембранная полость подключена к факельному трубопроводу после заслонки, к рычагу присоединен параллельно грузам через шток гидроцилиндр, корпус которого жестко закреплен, а к заполненным жидкостью полостям гидроцилиндра подключены параллельно дроссель и обратный клапан, пропускающий жидкость из одной полости гидроцилиндра в другую при движении грузов и поршня гидроцилиндра вверх при открытии поворотной заслонки и не пропускающий жидкость при движении грузов и поршня гидроцилиндра вниз при закрытии заслонки.
На чертеже схематично представлена факельная система.
Факельная система состоит из трубопроводов 1, факельного трубопровода 2, трубопровода 3 к технологической печи 4, цилиндрической вставки 5 автоматического затвора 6, установленного на факельном трубопроводе 2 на участке между источником сброса и факелом, факельного трубопровода 7, регуляторов 8 и 9 давления, установленных на байпасной линии между факельными трубопроводами 2 и 7, и факела 10. Автоматический затвор 6 выполнен в виде поворотной заслонки 11 с расположенными с противоположных сторон уплотнительными полукольцами 12, обеспечивающими герметичность автоматического затвора. Места прилегания заслонки 11 к полукольцам 12 уплотнены прокладками 13. Вал 14 заслонки расположен в плоскости, перпендикулярной оси факельного трубопровода 2 с эксцентриситетом по отношению к нему. На валу 14 закреплен рычаг 15 с грузом 16. Мембранный привод 17 с мембраной 18, надмембранной полостью 19 и подмембранной полостью 20 через толкатель 21 соединен с рычагом 15. Подмембранная полость 20 подключена трубопроводом 22 к факельному трубопроводу 7. К рычагу 15 присоединен параллельно грузам 16 через шток 23 гидроцилиндр 24, корпус которого жестко закреплен. Поршень 25 гидроцилиндра 24 делит его внутренний объем на две полости 26 и 27, которые заполнены рабочей жидкостью (минеральным маслом). К полостям 26 и 27 гидроцилиндра подключены параллельно дроссель 28 и обратный клапан 29. Обратный клапан 29 открывается и пропускает рабочую жидкость из полости 26 гидроцилиндра 24 в полость 27 при движении грузов 16 и поршня 25 гидроцилиндра 24 вверх при открытии поворотной заслонки 11 и закрывается и не пропускает жидкость из полости 27 в полость 26 при движении грузов 16 и поршня 25 гидроцилиндра 24 вниз при закрытии заслонки 11. Рабочая жидкость при движении грузов 16 и поршня 25 гидроцилиндра 24 вниз и закрытии заслонки 11 проходит через дроссель 28 из полости 27 в полость 26, обеспечивая движение заслонки 11 на закрытие с меньшей скоростью, чем на открытие.
Система работает следующим образом.
Небольшие сбросы газов от технологических установок поступают по трубопроводам 1 в факельный трубопровод 2, откуда по трубопроводу 3 направляются к технологической печи 4. При этом поворотная заслонка 11 закрыта и отсекает факельный трубопровод 2 от факельного трубопровода 7. При повышении давления в факельном трубопроводе 2, когда количество поступившего газа превышает его потребление, избыток газа регуляторами 8 и 9 давления сбрасывается в трубопровод 7 и далее - на факел 10. Если избыток газа превышает суммарную пропускную способность регуляторов 8 и 9 и давление перед заслонкой 11 возрастает выше допустимого, заслонка 11 открывается и выпускает избыток газа в трубопровод 7. Эксцентричное положение вала заслонки обеспечивает возникновение неуравновешенного крутящего момента, который поворачивает заслонку при достижении определенного давления перед ней. Этот крутящий момент уравновешивается моментом, создаваемым грузом 16. При открытии заслонки рычаг 15 поднимает вверх груз 16, шток 23 и поршень 25 гидроцилиндра 24. При движении поршня 25 вверх в гидроцилиндре 24 жидкость из полости 26 свободно перетекает в полость 27 через открывшийся обратный клапан 29, не создавая сопротивления движению поршня 25 и заслонки 11 в сторону открытия. Большой залповый (аварийный) сброс газов может привести к росту давления в факельном трубопроводе 7 (за счет его сопротивления). Давление в факельном трубопроводе 7 передается по трубопроводу 22 в подмембранную полость 20 мембранного привода 17, и возникающее при этом усилие привода 17 уравновешивает крутящий момент, возникающий от давления на заслонку 11 со стороны факельного трубопровода 7 из-за эксцентричного расположения вала заслонки. Однако первый фронт залпового сброса газа проходит, давление в факельном трубопроводе 7 понижается и сила, создаваемая мембранным приводом 17 с мембраной 18, существенно уменьшается, а поэтому заслонка 11 под действием груза 16 начинает движение в сторону закрытия. Поршень 25 гидроцилиндра 24 медленно вытесняет жидкость из полости 27 в полость 26 через дроссель 28 потому, что обратный клапан 29 закрыт, а поэтому заслонка 11 медленно перемещается без колебательных движений в сторону закрытия и останавливается в положении, при котором происходит выброс основной массы газа из трубопровода 2 в трубопровод 6.
Использование факельной системы позволяет исключить возможность возникновения аварийных ситуаций.
2
Теоретические обоснования, подтверждающие положения, изложенные в описании заявки. На основании второго закона Ньютона сила F, Н, равна произведению массы тела т, кг на ускорение движения тела а, м/с, то есть
F=m·a или
2
2
2
где х, dx/dt - перемещение и ускорение перемещения тела, м и м/с.
На поворотную заслонку автоматического затвора действуют следующие силы:
зас
груз
где m, m - масса соответственно заслонки и грузов, кг;
2
2
2
2
2
зас
1
2
зас
1
2
мем
dх/dt- ускорение перемещения заслонки, м/с; Р и P - давление газа до и после заслонки, Па; Δf - эффективная площадь заслонки, укрепленной на валу с эксцентриситетом, на которую действует разность давлений (P-Р); f - площадь мембраны мембранного исполнительного механизма, м; g - ускорения силы земного тяготения, м/с.
1
2
зас
Уравнение (1) составлено для автоматического затвора с поворотной заслонкой для факельной системы, действие которой характеризуется тем, что давление Р, а соответственно и Р всегда непрерывно изменяется от какого-то максимального до минимального значения при срабатывании автоматического затвора. На основании этого сила, представленная в правой части выражения (1), постоянно изменяется при срабатывании автоматического затвора на значение ±ΔN, H, и выражение (1) можно представить в виде
После преобразования по Лапласу выражение (2) принимает вид
зас
зас
3ac
2
m·sx(p)=ΔN(p).
Передаточная функция перемещения заслонки по отношению к приложенной силе
Если подать единичное возмущение  тогда
После обратного преобразованию по Лапласу этого выражения получим зависимость для перемещения заслонки автоматического затвора после возмущения по давлению в факельном трубопроводе в следующем виде:
Таким образом, заслонка после возмущения по давлению в факельном трубопроводе непрерывно перемещается в одну или другую сторону по квадратической зависимости и эти перемещения заслонки будут продолжаться от полного открытия до полного закрытия факельного трубопровода.
Если взять производную по времени от выражения (3), тогда получим скорость перемещения заслонки
зас
зас
Если принять, что m=2, тогда в соответствии с выражением (4) при t=0 с скорость перемещения заслонки dx(t)/dt=0, а при t=10 с dx(t)/dt=S м/с.
Для автоматического затвора с поворотной заслонкой и гидроцилиндром с обратным клапаном и дросселем для движения заслонки в сторону закрытия выражение (2) принимает вид
зас
где β - коэффициент демпфирования гидроцилиндра с дросселем и обратным клапаном при движении заслонки на закрытие; dx/dt - скорость перемещения заслонки и поршня гидроцилиндра, м/с.
После преобразования по Лапласу выражение (5) принимает вид
зас
зас
зас
2
(m·s+β·s)x(p)=ΔN(р).
Передаточная функция перемещения заслонки по отношению к приложенной силе
Если подать единичное возмущение , тогда
Это выражение можно представить в виде
где
После обратного преобразованию по Лапласу выражения (6) получим зависимость для перемещения заслонки автоматического затвора с поворотной заслонкой и гидроцилиндром с обратным клапаном и дросселем для движения заслонки в сторону закрытия при возмущении по давлению в факельном трубопроводе в следующем виде
Скорость перемещения заслонки в сторону закрытия получим из выражения (7)
Если принять как и выше, что m=2 кг и β=2,0, тогда при t=0 с скорость перемещения заслонки
а при t=10 c
Это значение в 20 раз меньше, чем движение заслонки на открытие без демпферного устройства (5/0,25=20).
Таким образом, заслонка после возмущения по давлению в факельном трубопроводе перемещается в сторону закрытия значительно медленнее [выражение (8)], чем в сторону открытия [выражение (4)], и скорость движения заслонки в сторону закрытия определяется в основном коэффициентом демпфирования β.