ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
HEAT GENERATOR

Изобретение относится к водонагревателям, имеющим средства получения тепла, в которых в которых воздух отделен от нагревающей среды с помощью труб, и может использоваться в нефтегазовой промышленности для отопления помещений в зимний сезон, в том числе производственных цехов, складских комплексов и других промышленных помещений большого размера.
Из уровня техники известен теплогенератор (RU 2591759 C1, МПК F24H 1/00, опубл. 20.07.2016), содержащий металлические корпус с воздухозаборниками и смотровым отверстием, хотя бы один змеевик для теплоносителя, хотя бы один кожух змеевика, а также установленное в корпусе соосно горелочное устройство, содержащее один канал подачи топлива и оголовок, выполненный с возможностью подключения к регулируемым системе подачи топлива, горелочному устройству и системе подачи теплоносителя в змеевик.
Недостатком известного технического решения является низкая эффективность теплогенератора, вследствие размещения змеевика, по которому поступает нагреваемая текучая среда, с наружной части корпуса, что снижает коэффициент полезного использования теплоты дымовых газов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан теплогенератор универсальный (RU 2615301 C2, МПК F24H 1/06, F24H 1/14, F24H 3/08, F23L 15/04, опубл. 04.04.2017). Теплогенератор по независимому пункту формулы изобретения содержит металлический корпус, установленное в нем с открытым радиальным зазором горелочное устройство диффузионно-инжекционного типа, по крайней мере, с одним каналом подачи топлива, а также хотя бы один трубопровод для теплоносителя, при этом теплогенератор выполнен с возможностью подключения к системе подачи топлива в горелочное устройство и системе подачи и отвода теплоносителя в трубопровод.
Недостатком универсального теплогенератора является его низкая технологичность, связанная с тем, что выполнение теплогенератора мобильным снижает его надежность. Кроме того конструкция трубопровода теплогенератора не обеспечивает полное использование тепла дымовых газов.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности сжигания топлива и нагрева теплоносителя в теплогенераторе.
Указанная задача решена тем, что теплогенератор содержит корпус, состоящий из соединенных между собой фланцевыми соединениями топочной части, внутри которой установлено горелочное устройство, теплообменной секции, снабженной экономайзером, обогреваемым продуктами сгорания топлива и предназначенным для подогрева теплоносителя, поступающего в теплогенератор, и дымовой трубы, выполненной с возможностью установки на нее дефлектора, при этом на внутренней поверхности корпуса теплогенератора по всей его длине закреплены теплозащитные маты, а горелочное устройство состоит из основной многофакельной и запальной горелок. Основная многофакельная горелка состоит из двух горизонтальных взаимно перпендикулярных газовых труб, с горизонтально закрепленными в них перпендикулярно их осям перфорированными газовыми коллекторами, в отверстиях которых вертикально установлены факельные оголовки, каждый из которых содержит эжекционный смеситель, совмещенный с оголовком, при этом к упомянутым газовым трубам подведены линии подачи топлива первого и второго типа.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков теплогенератора, является повышение эффективности сжигания топлива в теплогенераторе, за счет выполнения основной горелки многофакельной с возможностью подвода к ее газовым трубам топлива двух типов, что дает возможность сжигать в теплогенераторе попутный нефтяной газ, полученный на разных ступенях сепарации, подавая, например, в одну из газовых труб газ, полученный на первой ступени сепарации, а в другую газовую трубу газ, полученный на второй или третьей ступенях сепарации. Кроме того, применение многофакельной горелки, факельные оголовки которой снабжены эжекционными смесителями, а также теплозащитных матов обеспечивает повышение эффективности нагрева теплоносителя, циркулирующего в экономайзере теплогенератора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен внешний вид теплогенератора спереди; на фиг.2 представлен внешний вид многогранных секций радиатора экономайзера; на фиг.3 представлен внешний вид основной многофакельной горелки сбоку; на фиг.4 представлен внешний вид основной многофакельной горелки сверху; на фиг.5 показан вид по А-А на фиг.4.
Теплогенератор устроен следующим образом.
Его основой является цилиндрический корпус, установленный на опорах 1 и зафиксированный растяжками 2, состоящий из соединенных между собой фланцевыми соединениями 3 топочной части 4 со служебным люком обслуживания 5 и приточными отверстиями 6, внутри которой установлено горелочное устройство, теплообменной секции 7, снабженной экономайзером 8, обогреваемым продуктами сгорания топлива и предназначенным для подогрева теплоносителя, поступающего в теплогенератор, и дымовой трубы 9, выполненной с возможностью установки на нее дефлектора (на фигурах условно не показан), при этом на внутренней поверхности корпуса теплогенератора по всей его длине закреплены теплозащитные маты 10.
Корпус теплогенератора выполнен из стальных труб диаметром 3000 мм и толщиной 16 мм, растяжки 2 представляют собой стальные канаты толщиной 20 мм, горелочное устройство состоит из основной многофакельной 11 и запальной 12 горелок, а теплозащитные маты 10 выполнены из огнеупорного керамического стекловолокна, применяемого для теплоизоляции котлов.
Экономайзер 8 теплогенератора может быть закреплен как на наружной части теплообменной секции 7, так и внутри нее, и выполнен, предпочтительно, в виде трубного радиатора, включающего нижнюю 13 и верхнюю 14 горизонтальные многогранные секции (секции могут быть, например, восьмигранными), соединенные вертикальными ребрами 15 для обеспечения тока теплоносителя в радиаторе преимущественно в вертикальном направлении, при этом к нижней 13 секции посредством фланцевого соединения подключен подводящий трубопровод 16, а к верхней 14 секции подключен отводящий 17 трубопровод теплоносителя. Подводящий и отводящий трубопроводы 16 и 17 снабжены штуцерами 18 для установки в них термометров, регистрирующих температуру теплоносителя на входе и на выходе из экономайзера 8; дополнительно экономайзер 8 может быть снабжен кожухом 19, изготовленным, предпочтительно, из теплоизоляционного материала, при этом упомянутый кожух целесообразно заполнить промежуточным теплоносителем. В качестве теплоизоляционного материала кожуха 19 может использоваться тонколистовая сталь, а в качестве промежуточного теплоносителя может применяться песок мелкой фракции.
Основная многофакельная горелка 11 состоит из двух горизонтальных взаимно перпендикулярных газовых труб 20 и 21 с горизонтально закрепленными в них перпендикулярно их осям перфорированными газовыми коллекторами 22 и 23, в отверстиях которых вертикально установлены факельные оголовки 24, каждый из которых содержит эжекционный смеситель, совмещенный с оголовком (на фигурах условно не показан], при этом к газовым трубам 20 и 21 подключены линии 25 и 26 подачи топлива первого и второго типа.
Факельные оголовки 24 устанавливают в газовых коллекторах 22 и 23 на равном расстоянии друг от друга, которое составляет 120 мм, при этом диаметр факельных оголовков составляет 33,5 мм. Линии 25 и 26 подачи топлива имеют длину 1400 мм и выполнены из стальной трубы диаметром 108 мм с толщиной стенки 4,5 мм. Установленные таким образом конструктивные параметры узлов основной многофакельной горелки способствуют лучшему формированию газовоздушной смеси в области горения факела.
Дополнительно в дымовой трубе 9 может быть установлен термометр дымовых газов, а запальная горелка 12 может быть снабжена системой автоматического розжига и контроля горения факела основной многофакельной горелки (на фигурах условно не показана), при этом упомянутая система может включать в себя узел автоматического пьезоэлектрического розжига, газовый детектор, а также электромеханический регулятор подачи топлива.
1
1
В случае применения в конструкции теплогенератора упомянутых элементов автоматики термометры, устанавливаемые в штуцеры 18, и термометр дымовых газов могут представлять собой резистивные датчики температуры, а газовый детектор - датчик углеводородных газов, например модели MQ-9. (1)  Датчик газа MQ9 (угарный газ, углеводородные газы) // 3DiY. URL: https://3d-diy.ru/product/datchik-gaza-mq-9 (дата обращения: 24.02.2022).
2
2
3
3
Выходы упомянутых датчиков могут быть подключены к измерительным входам промышленного логического контроллера, например модели Delta DVP-ES2/EX2 (2) Программируемые контроллеры. Контроллеры малого класса // DELTA. URL: https://deltronics.ru/ catalog/programmiruemyie-kontrolleryi/ (дата обращения: 24.02.2022), а силовые выходы последнего могут быть подключены к узлу автоматического пьезоэлектрического розжига и электромеханическому регулятору подачи топлива в систему автоматического розжига и контроля горения факела, а также регуляторам подачи топлива, установленным на линиях 25 и 26 подачи топлива первого и второго типа, в качестве которых может быть применен регулятор модели РРГ-10 DN 4(3) Регулятор расхода газа РРГ-10 DN 4 до 1800 л/ч // Элточприбор. URL: https://eltochpribor.ru/elementnaya-baza/regulyatorv-elektronnye-massovogo-raskhoda-gaza-modeley-rrg-20-rrg-18-rrg-15-rrg-L2-rrg-10/regulyator-raskhoda-gaza-rrg-10-dn-4-mm-do-1800-1-ch/ (дата обращения: 24.02.2022).
Применение в составе теплогенератора элементов автоматики позволит достичь дополнительного положительного технического результата, заключающегося в обеспечении автоматизации работы устройства, за счет возможности автоматического розжига запальной и основной горелок и регулирования температуры теплоносителя, циркулирующего в радиаторе экономайзера.
Теплогенератор используют следующим образом.
Первоначально устройство доставляют в разобранном виде на промышленную площадку, далее на предварительно подготовленной поверхности на опорах 1 устанавливают топочную часть 4, внутрь которой устанавливают горелочное устройство, на верхнем торце топочной части 4 фланцевым соединением 3 закрепляют теплообменную секцию 7 с экономайзером 8, а на верхнем торце теплообменной секции 7 фланцевым соединением закрепляют дымовую трубу 9, на которую, при необходимости, устанавливают дефлектор. После чего корпус теплогенератора фиксируют с помощью растяжек 2. Далее к основной многофакельной и запальной горелкам подключают линии подачи топлива, при этом к многофакельной горелке подключают линии 25 и 26 подачи топлива первого и второго типов. В качестве топлива, подаваемого к запальной горелке, может использоваться природный газ, первый тип топлива, подаваемого на основную многофакельную горелку, может представлять собой попутный нефтяной газ первой ступени сепарации, а второй тип топлива - попутный нефтяной газ второй или третьей ступеней сепарации.
Далее подводящий 16 и отводящий 17 трубопроводы подключают к системе циркуляции теплоносителя, например воды или нефтяной эмульсии. В штуцеры 18 устанавливают термометры, при необходимости, устанавливают термометр дымовых газов. В случае использования средств автоматики для управления теплогенератором упомянутые термометры, представляющие собой датчики температуры, а также газовый детектор узла автоматического пьезоэлектрического розжига подключают к измерительным входам промышленного логического контроллера, монтируемого на корпусе теплогенератора, а силовые выходы контроллера подключают к узлу пьезоэлектрического розжига и электромеханическим регуляторам подачи топлива. После выполненных операций теплогенератор готов к работе.
При работе теплогенератора в ручном режиме первоначально обеспечивают непрерывную подачу теплоносителя в экономайзер 8, затем открывают служебный люк обслуживания 5, подают в линию 25 и далее через в газовую трубу 20 в газовые коллекторы 22 основной многофакельной горелки 11 ограниченный объем топлива второго типа на малое горение, при этом топливо второго типа через эжекционные смесители оголовков 24 поступает в топочную часть 4 и смешивается с воздухом, поступающим из приточных отверстий 6, образуя газовоздушную смесь; далее с помощью запальной горелки 12 осуществляют розжиг газовоздушной смеси. После прогрева теплогенератора на малом горении факела в течение «5 мин осуществляют подачу топлива первого типа в линию 26 основной многофакельной горелки и далее через газовую трубу 21 в газовые коллекторы 23 основной многофакельной горелки 11 ограниченный объем топлива второго типа на малое горение. После того, как топливо второго типа, смешиваясь с воздухом и поступая в топочную часть 4, поджигается факелом, основную горелку 11 переводят на большое горение путем полной подачи топлива в линии 25 и 26, затем закрывают служебный люк обслуживания 5.
При горении факела дымовые газы, смешиваясь с воздухом, поступающим из приточных отверстий 6, поднимаясь вверх по корпусу теплообменной секции 7, нагревают экономайзер 8, при этом теплозащитные маты 10 и кожух 19, заполненный промежуточным теплоносителем, предотвращает потерю тепла, обеспечивают нагрев теплоносителя и его циркуляцию в экономайзере 8 за счет конвекции из нижней секции 13 в его верхнюю секцию 14. Температуру теплоносителя на входе и выходе экономайзера 8 контролируют с помощью термометров, а величину факела горелочного устройства определяют визуально, открывая при необходимости служебный люк обслуживания 5.
При использовании в составе теплогенератора средств автоматики управление его работой может осуществляться в автоматическом режиме на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ промышленного контроллера. В этом случае розжиг топлива и плавное регулирование его подачи в горелку осуществляется с помощью команд, подаваемых на силовые выходы контроллера, подключенные, соответственно, узлу пьезоэлектрического розжига и электромеханическому регулятору подачи топлива системы автоматического розжига и контроля горения факела основной многофакельной горелки, а также к регуляторам подачи топлива, установленным на линиях 25 и 26 подачи топлива первого и второго типа. Контроль температуры теплоносителя производится путем опроса датчиков температуры, установленных в штуцеры 18, а контроль горения факела и температуры дымовых газов осуществляется путем опроса датчика углеводородных газов и термометра (датчика температуры дымовых газов). Опрос упомянутых датчиков осуществляется путем анализа состояния измерительных входов контроллера, которые могут представлять собой линии аналого-цифрового преобразователя.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке теплогенератор, является промышленно применимым устройством, обеспечивающим эффективный нагрев теплоносителя, например воды или нефтяной эмульсии, который может быть использован для отопления промышленных зданий и сооружений в зимний период. Отсутствие в конструкции теплогенератора узлов, требующих для своей работы силовых электрических линий, делает возможным его использование, в том числе, на удаленных от сетей коммунальных ресурсов площадках нефтегазовых скважин и других объектах нефтегазодобывающей промышленности.