БЛОК ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ НИЗКОКАЛОРИЙНЫХ ГАЗОВ
BURNER UNIT FOR LOW-CALORIE GASES BURNING

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Углеводороды широко используются в качестве основного источника энергии. Кроме того, они оказывают существенное влияние на мировую экономику. Вследствие этого открытие и эффективная разработка ресурсов углеводородов становятся все более важной задачей. По мере истощения относительно доступных месторождений углеводородов разведка и добыча углеводородов расширилась на новые регионы, в которых возможны более сложные условия разработки и/или возможно возникновение новых технологических проблем. В ходе типовых операций выполняется бурение скважины в грунте, как на суше, так и под водой, в целях достижения месторождения, содержащего углеводороды. Такие углеводороды, как правило, находятся в виде нефти, газа или их смеси. Через скважину они выводятся на поверхность.
[0002] Часто для оценки потенциальной производственного ресурса месторождения выполняется испытание скважины. При испытании скважины выполняется бурение оценочной скважины для получения потока флюида из исследуемого месторождения. Во время испытания производительности месторождения по времени контролируются такие ключевые параметры, как давление флюида и скорость течения флюида. Приемлемость таких параметров может быть определена в ходе различного типа испытаний скважины, таких как принудительный перепад давления, гидропрослушивание и других испытаний, известных специалистам в данной области. Данные, полученные в ходе испытаний скважины, могут быть использованы для оценки экономической целесообразности скважины. Выполнение операций испытания может потребовать существенных расходов, сумма которых может превышать стоимость бурения испытательной скважины. Соответственно, операции испытаний должны быть выполнены наиболее экономичным и эффективным способом.
[0003] Единой стандартной процедурой в ходе операций испытания скважин является сжигание в факеле потока газа, притекающего к скважине. Известно множество типов горелок и факелов, которые позволяют эффективно сжигать газовые потоки со сравнительно высокой калорийностью газа (например, со сравнительно высоким процентным содержанием метана) без значительного образования дыма или продуктов распада. Это связано с тем, что при высокой калорийности струя газа при высокой скорости может тщательно смешиваться с минимальным риском задувания пламени.
[0004] При этом значительно более сложной задачей является чистое сжигание газовых потоков низкой калорийности, известных также как "хвостовые газы". Потоки хвостовых газов могут иметь относительно высокое содержание инертных газов, таких как азот, которые разбавляют содержание горючих веществ в газе, в связи с чем возрастает риск задувания пламени. Другие инертные газы, такие как диоксид углерода, не просто разбавляют газ, но также могут активно подавлять пламя при концентрациях выше 35% в содержании газового потока. Даже при концентрациях менее 35% подавляющие пламя инертные газы, такие как диоксид углерода, могут существенно повысить риск задувания пламени.
[0005] Для сжигания газов с низкой калорийностью были предложены различные варианты конструкций факела. В целом, предложенные горелки требуют сложных путей газовых потоков, которые подвержены засорению, имеют сложную конструкцию, что затрудняет изготовление и обслуживание, и/или не подходят для сжигания горючих отходов в ходе операций испытания скважины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В соответствии с определенными аспектами описания блок горелки предусмотрен для сжигания низкокалорийных газов. Блок горелки может содержать трубу горелки, расположенную вдоль оси трубы горелки с впускной трубой, плоскость поперечного сечения которой практически перпендикулярна оси трубы горелки, промежуточную трубу, соединенную с впускной трубой, при этом площадь поперечного сечения промежуточной трубы практически перпендикулярна оси трубы горелки и превышает площади поперечного сечения впускной трубы с площадью поперечного сечения расширительной трубы, практически перпендикулярной оси трубы горелки, которая больше площади поперечного сечения промежуточной трубы. Распределительный узел может быть расположен в нижней по потоку части расширительной трубы и имеет верхний по потоку конец распределительного узла, обращенный  к промежуточной трубе и нижнему по потоку концу распределительного узла. Множество направляющих лопаток могут соединять расширительную трубу и распределительный узел, а дефлектор может быть соединен с расширительным узлом. Внешняя поверхность дефлектора может иметь форму, близкую к форме усеченного конуса, проходящей по радиусу наружу от оси трубы горелки и в осевом направлении ниже по потоку от нижнего по потоку конца распределительного узла, причем внешняя поверхность дефлектора сориентирована на угол поверхности дефлектора относительно оси трубы горелки.
[0007] В соответствии с дополнительными аспектами изобретения способ сжигания низкокалорийного газа может включать направление потока низкокалорийного газа по трубе горелки, расположенной вдоль оси трубы горелки, а труба горелки содержит впускную трубу со сравнительно малой площадью поперечного сечения, промежуточную трубу со средней площадью поперечного сечения и расширительную трубу со сравнительно большой площадью поперечного сечения, при том, что низкокалорийный газ проходит через впускную трубу, промежуточную трубу и расширительную трубу. Центральная часть сравнительно большой площади поперечного сечения расширительной трубы может быть заблокирована распределительным узлом, расположенным ниже по потоку от расширительной трубы для создания периметрового газового потока вдоль расширительной трубы. Периметровый газовый поток может вращаться вокруг оси трубы горелки для создания на выходе из расширительной трубы закрученного потока газа. Поток рециркуляции может образовываться ниже по потоку от расширительной трубы путем направления закрученного потока газа в направлении по радиусу наружу вдоль внешней поверхности дефлектора, при этом внешняя поверхность дефлектора имеет форму, близкую к усеченному конусу.
[0008] Сущность изобретения приведена для описания вариантов концепций, более подробное описание которых приведено ниже в подробном описании сущности изобретения. Приведенная сущность изобретения не определяет ключевые признаки или основные признаки заявленного предмета, также как и не предназначена для использования в качестве вспомогательного средства, ограничивающего объем заявленного предмета изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] Описание вариантов реализации изобретения блоков горелки и способов сжигания на факеле, подходящих для сжигания потоков газа низкокалорийного содержания, приведено со ссылкой на следующие фигуры. Одни и те же значения использованы на всех фигурах для обозначения аналогичных свойств и компонентов.
[0010] ФИГ. 1 иллюстрирует вид в перспективе блока горелки для низкокалорийного газа, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.
[0011] ФИГ. 2 иллюстрирует вертикальную боковую проекцию в поперечном сечении блока горелки по ФИГ. 1, которая работает с потоком газа с низкой поверхностной скоростью.
[0012] ФИГ. 3 иллюстрирует вертикальную боковую проекцию в поперечном сечении блока горелки по ФИГ. 1, которая работает с потоком газа со средней поверхностной скоростью.
[0013] ФИГ. 4 иллюстрирует вертикальную боковую проекцию в поперечном сечении блока горелки по ФИГ. 1, которая работает с потоком газа с высокой поверхностной скоростью.
[0014] Следует понимать, что на чертежах необязательно соблюдение масштаба, а также что описанные варианты реализации изобретения иногда показаны схематично и с частичным изображением. В некоторых случаях подробности, которые не являются необходимыми для понимания описанных способов и устройств либо которые осуществляются другими элементами, которые сложно показать, могут быть опущены. Безусловно, следует понимать, что данное описание изобретения не ограничивается конкретными вариантами реализации изобретения, проиллюстрированными в данном документе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0015] Учитывая, что описанные выше признаки и преимущества данного изобретения можно рассмотреть в подробностях, можно привести более полное описание изобретения, кратко описанного выше, согласно вариантам его реализации, которые показаны в прилагаемых графических материалах. Однако следует отметить, что на графических материалах проиллюстрированы только типичные варианты реализации данного изобретения, в связи с чем их не следует рассматривать как ограничивающие его объем, поскольку изобретение может допускать другие, в равной степени эффективные варианты реализации.
[0016] В данном описании изобретения приведено описание блоков и способов для горелок, используемых с потоками низкокалорийного газа, такими, как стоки и отходы с питающей линии, которые образуются в ходе операций испытания скважины. Обобщенным понятием, используемым для описания таких стоков и отходов, часто является поток газа для сжигания. В общем случае блоки и способы адаптированы для замедления поверхностной скорости газового потока, поступающего из питающей линии, для предупреждения задувания пламени, а также для создания крупной зоны рециркуляции ниже по потоку от горелки для обеспечения стабильности пламени.
[0017] ФИГ. 1 иллюстрирует блок горелки 100, адаптированный для сжигания потока газа с низкой калорийностью, при широком диапазоне поверхностных скоростей газа. Поток газа может поступать на горелку от любого источника, такого как питательная линия испытательной скважины (не показано). Поток газа содержит горючий компонент, такой как метан, также как и один и более инертных газов, таких как азот, водяной пар и/или диоксид углерода.
[0018] Блок 100 горелки содержит трубу 102 горелки, расположенную вдоль оси 104 трубы горелки, и имеет множество ступеней. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения труба 102 горелки имеет три ступени; однако в других вариантах реализации изобретения труба горелки может иметь другое количество ступеней. В частности, труба 102 горелки может содержать впускную трубу 105, промежуточную трубу 106, при этом конец 108 промежуточной трубы, расположенный выше по потоку, соединен с впускной трубой 105 и концом 110 промежуточной трубы, расположенным ниже по потоку, а расширительная труба 112 соединена с концом 110 промежуточной трубы, расположенным ниже по потоку. Ступени трубы 102 горелки имеют соответствующие размеры для того, чтобы поток газа постепенно переходил в участки с большей площадью внутри трубы 102 горелки. Соответственно, впускная труба 105 может иметь сравнительно малую площадь поперечного сечения впускной трубы, промежуточная труба 106 может иметь площадь поперечного сечения, которая превышает площадь поперечного сечения впускной трубы, а расширительная труба 112 может иметь площадь поперечного сечения, которая превышает площадь поперечного сечения промежуточной трубы.
[0019] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения впускная труба 105, промежуточная труба 106 и расширительная труба 112 показаны как имеющие в целом цилиндрическую форму. Соответственно, относительные размеры площадей поперечных сечений участков труб могут быть определены на основании их соответствующих диаметров. Например, впускная труба 105 может иметь диаметр D1, промежуточная труба 106 может иметь диаметр D2, а расширительная труба 112 может иметь диаметр D3. Кроме того, как проиллюстрировано на ФИГ. 2, диаметр D2 промежуточной трубы больше диаметра D1 впускной трубы, а диаметр D3 расширительной трубы больше диаметра D2 промежуточной трубы. Однако следует иметь в виду, что входная, промежуточная и расширительная трубы 105, 106 и 112 могут быть выполнены в нецилиндрической форме.
[0020] Расширительная труба 112 может содержать конец 114 расширительной трубы, расположенный выше по потоку, соединенный с и имеющий связь по текучей среде с промежуточной трубой 106, а конец расширительной трубы, расположенный ниже по потоку 116, открыт в атмосферу, а следовательно, является выходным отверстием трубы горелки 118. Распределительный узел 120 может быть расположен в нижней по потоку части 120 трубы горелки, смежно с нижним по потоку концом 116 расширительной трубы. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения распределительный узел 120 является концентрическим и имеет общую форму профиля, практически симметричную относительно оси 104 трубы горелки. Распределительный узел 120 может содержать расположенный выше по потоку конец распределительного узла 122, как правило, обращенный к промежуточной трубе 106, расположенный ниже по потоку конец распределительного узла 124, напротив конца, расположенного выше по потоку, и боковую стенку распределительного узла 126, соединяющую верхний по потоку и нижний по потоку концы 122 и 124. Верхний по потоку конец распределительного узла 122 может иметь коническую форму, образующую вершину 128, и быть расположенным практически вдоль оси 104 трубы горелки. Боковая стенка распределительного узла 126 может иметь цилиндрическую форму и диаметр D4, определяющий максимальную площадь поперечного сечения распределительного узла, которая практически перпендикулярна оси 104 трубы горелки. Для создания периметрового газового потока (потока газа по периметру) вдоль по внутренней поверхности расширительной трубы 112, что более подробно проиллюстрировано ниже, распределительный узел 120 может иметь такие размеры, чтобы заграждать центральную часть расширительной камеры 119, ограниченной расширительной трубой 112. В некоторых приложениях максимальная площадь поперечного сечения может составлять приблизительно от 30% до 50% площади поперечного сечения расширительной трубы для создания необходимого потока газа по периметру. Нижний по потоку конец распределительного узла 124 может быть практическим плоским, как проиллюстрировано на ФИГ. 2.
[0021] Множество направляющих лопаток 130 между расширительной трубой 112 и распределительным узлом 120 для фиксации распределительного узла 120 в положении внутри расширительной трубы 112 и для сообщения вращательного движения газовому потоку, что более подробно описано ниже. Количество направляющих лопаток 130 может быть выбрано таким образом, чтобы их было достаточное число для обеспечения необходимого закрученного потока, но не слишком много, чтобы не препятствовать потоку и не создавать значительного риска захвата инородных веществ, содержащихся в потоке газа. Соответственно, примерно от 3 до 8 направляющих лопаток 130, могут быть предусмотрены в блоке 100 горелки. Каждая направляющая лопатка 130 может содержать верхнюю поверхность направляющей лопатки 132, обращенную вверх по потоку к промежуточной трубе 106, и сориентированную под углом направляющей лопатки относительно оси трубы горелки 104. В некоторых вариантах реализации изобретения угол направляющей лопатки может составлять приблизительно от 20 до 45 градусов. Кроме того, направляющие лопатки могут быть выполнены таким образом, чтобы их профили повышали эффективность сообщения вращательного движения потоку газа.
[0022] Дефлектор 140 может быть установлен ниже по потоку от трубы 102 горелки для стабилизации пламени во время работы. Как проиллюстрировано на ФИГ. 1 и 2, дефлектор 140 может иметь верхний по потоку конец 142 дефлектора, соединенный с нижним по потоку концом 124 распределительного узла 120, и нижний по потоку конец 144 дефлектора. Дефлектор 140 может содержать внешнюю поверхность 146 дефлектора, форма которой близка к форме усеченного конуса. Более конкретно, внешняя поверхность 146 дефлектора может быть сориентирована в радиальном направлении наружу от оси 104 трубы горелки и в осевом направлении вниз от верхнего по потоку конца 142 дефлектора к нижнему по потоку концу дефлектора 144. Соответственно верхний по потоку конец 142 дефлектора может определять диаметр верхнего по потоку конца дефлектора D5, который меньше диаметра D6 нижнего по потоку конца дефлектора, определенного нижним по потоку концом дефлектора 114. Диаметр D6 нижнего по потоку конца дефлектора может быть рассчитан относительно диаметра D3 расширительной трубы для обеспечения необходимого характера газового потока на выходе из трубы 102 горелки. Например, диаметр D6 нижнего по потоку конца дефлектора может составлять около 60-80% диаметра D3 расширительной трубы. Кроме того, внешняя поверхность дефлектора 146 оказывает влияние на характер потока, производимого дефлектором 140. Для проиллюстрированного варианта реализации изобретения внешняя поверхность 146 дефлектора сориентирована вдоль угла β поверхности дефлектора относительно оси 104 трубы горелки. В некоторых приложениях угол β поверхности дефлектора может составлять около 20-45 градусов для обеспечения необходимого характера потока газа.
[0023] В процессе работы поток газа передается на блок 100 горелки. По мере движения потока газа через трубу 102 горелки последовательное увеличение площадей поперечного сечения впускной трубы 105, промежуточной трубы 106 и расширительной трубы 112 снизит поверхностную скорость газового потока. По мере поступления газового потока в расширительную трубу 112 из промежуточной трубы 106 относительно большое и резкое изменение площади поперечного сечения может обеспечить внутреннюю зону рециркуляции 150 в верхней по потоку части расширительной трубы 112.
[0024] Распределительный узел 120 может препятствовать центральной части газового потока в нижней по потоку части расширительной трубы 112, создавая, таким образом, газовый поток 152 по периметру. Направляющие лопатки 130 могут сообщать вращательное движение потоку газа по периметру, центр которого, как правило, находится у оси 104 трубы горелки, создавая, таким образом, закрученный поток газа, который может быть практически спиральным, на выходе газового потока из расширительной трубы 112. Ниже трубы горелки 102 дефлектор 140 направляет закрученный поток газа по радиусу наружу. При этом создается относительно большая зона внешней рециркуляции 154 ниже дефлектора 140. Такая зона внешней рециркуляции 154 дополнительно снижает скорость газового потока, обеспечивая, таким образом, стабильное и эффективное сжигание газового потока.
[0025] Кроме того, блок 100 горелки оснащен рядом вспомогательных горелок 155, необходимых для зажигания пламени и стабилизации сжигания газа. Ряд горелок 155 может быть установлен по внешнему краю расширительной трубы 112. ФИГ. 1 и 2 иллюстрируют две вспомогательные горелки, установленные с противоположных сторон расширительной трубы 112 в области низкой скорости потока. Однако количество и положения вспомогательных горелок 155 могут варьироваться по размеру и положению, в зависимости от параметров работы, стоимости, требований безопасности и/или удобства для оператора.
[0026] Блок 100 горелки может обеспечивать стабильное сжигание потока низкокалорийного газа при различных давлениях потока газа, также как и при различных поверхностных скоростях. ФИГ. 2, например, иллюстрирует дозвуковой поток газа через горелку. Поверхностную скорость газового потока можно определить, разделив величину скорости потока газа Q на площадь поперечного сечения A тела, через которое он течет. При известном расходе газа Q площадь поперечного сечения A, размер промежуточной трубы 106 может быть выбран таким образом, чтобы отношение Q/A было меньше скорости звука в газе. При дозвуковой скорости газа блок 100 горелки будет понижать скорость потока газа на последовательных ступенях трубы 102, а закрученный поток газа на выходе из трубы 102 горелки будет направлен через дефлектор 140 для создания зоны внешней рециркуляции 154.
[0027] ФИГ. 3 иллюстрирует скорость потока газа, которая практически равна звуковой скорости потока в промежуточной трубе 106. Блок 100 горелки работает практически таким же образом, как было описано выше, за исключением того, что давление газа на входе и/или площадь поперечного сечения промежуточной трубы выбираются таким образом, чтобы поверхностная скорость потока газа в промежуточной трубе 106 была практически равна звуковой скорости газа. Когда поверхностная скорость газа достигает звуковой скорости на впускной трубе 105, образуется ряд косых скачков уплотнения 160 в промежуточной трубе 106. Структура скачков уплотнения 160 образуется за счет увеличения площади поперечного сечения промежуточной трубы по сравнению с площадью поперечного сечения впускной трубы 105. Структура скачков уплотнения 160 проиллюстрирована на ФИГ. 3 в виде ряда последовательных конических структур. При движении далее, вниз по трубе 102 горелки, элементы скачка уплотнения 160 рассеиваются, а газовый поток расширяется в расширительной трубе 112 и образуется поток на дозвуковой скорости. Остальная часть газового содержания движется вокруг распределительного узла 120, через направляющие лопатки 130 и над дефлектором 140, практически, как описано выше, для ФИГ. 2.
[0028] ФИГ. 4 иллюстрирует газовый поток с поверхностной скоростью газа в промежуточной трубе 106, соответствующей сверхзвуковой скорости. На ФИГ. 4 не имеет дозвуковой скорости или скорости, близкой к скорости звука, прежде чем поток пройдет через расширительную трубу 112. Как проиллюстрировано на ФИГ. 4, при сверхзвуковой скорости газа образуются элементы скачка уплотнения 162 в расширительной трубе 112, которые частично рассеивают энергию газового потока. По мере приближения газового потока к распределительному узлу 120 может образоваться прямой скачок уплотнения 164 на верхней по потоку вершине 128 распределительного узла 120. Газовый поток может продолжаться двигаться вокруг распределительного узла 120, через направляющие лопатки 130 и над дефлектором 140, практически, как описано выше для ФИГ. 2 и 3.
[0029] С учетом вышеизложенного приводятся блоки и способы для горелки, обеспечивающие эффективное сжигание низкокалорийного газа при различных давлениях. Как было отмечено выше, характер потока газа, обеспечивающий стабильное горение, получается при дозвуковой, звуковой и сверхзвуковой скоростях потока газа через трубу 102 горелки. Низкая степень закручивания потока за счет направляющих лопаток 130 обеспечивает стабилизацию потока газа и сокращает длину пламени. Конический дефлектор 140 дополнительно удерживает пламя у выхода трубы горелки, уменьшая таким образом вероятность затухания пламени. В дополнение к созданию характера потока по периметру распределительный узел 120 также помогает предупредить затягивание пламени внутрь горелки, преграждая поток в центральной части расширительной трубы 112.
[0030] Несмотря на то, что выше приведено подробное описание только для нескольких вариантов реализации изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможна масса модификаций примеров вариантов реализации изобретения без существенных отклонений от блока горелки и способов сжигания низкокалорийного газа согласно описанию и формуле изобретения, приведенным в данном документе. Соответственно, все такие модификации должны быть включены в объем настоящего изобретения, как определено в пунктах ниже. В формуле изобретения, пункты значения и функций включают структуры, описанные в настоящем документе, как обеспечивающие указанные функции и не только структурные эквиваленты, но также и эквивалентные структуры. Таким образом, несмотря на то, что гвоздь и винт не могут рассматриваться как структурные эквиваленты, учитывая, что такой гвоздь является цилиндрической поверхностью, фиксирующей деревянные элементы, а у винта используется винтовая поверхность для фиксации деревянных элементов, гвоздь и винт могут рассматриваться как эквивалентные структуры.