ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО И/ИЛИ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
BURNER FOR COMBUSTION OF GASEOUS AND/OR LIQUID FUEL

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для сжигания газообразного и/или жидкого топлива как раздельно, так и совместно. Горелка предназначена для работы с различными видами топлива, в том числе природного газа, попутного нефтяного газа (ПНГ) (I, II ступеней сепарации, легких фракций), а также товарной нефти, мазута в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.п.
Известно горелочное устройство (патент на изобретение №2453767, опубл. 20.11.2012, Чумак В.Т., г. Чехов), содержащее первый канал подачи жидкого топлива, практически соосно расположенный вокруг него кольцевой второй канал подачи газообразного топлива, имеющий множество дополнительных боковых отверстий в выходной части. Второй канал для топлива расположен между двумя кольцевыми каналами подачи воздуха (внешним и внутренним). Во внутреннем воздушном канале расположен первый канал подачи топлива. Во внешнем канале подачи воздуха на корпусе воздуховода установлено две ступени пластинчатых завихрителей, а на выходной части газового коллектора второго канала подачи топлива - множество радиальных отверстий для выхода газа между ступенями завихрителей. За счет ступенчатого перемешивания газа и воздуха формируют эффективную горючую газовоздушную смесь (ГВС). Потоки жидкого, газообразного топлива и воздуха являются регулируемыми. Для розжига в горелку подают готовую ГВС. При этом сжигание ПНГ возможно только при подаче воздуха совместно с жидким топливом первого канала, используемым в том числе и для розжига горелки. Сжигание ПНГ с высоким содержанием негорючих газов невозможно. Кроме того, недостатком является сложность конструкции.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является горелка для сжигания газообразного и жидкого топлива (патент на полезную модель №105407, ЗАО «МАКойл», г. Москва, опубл. 10.06.2011), содержащая выполненный с возможностью подачи топлива трубопровод с центральным и множеством боковых отверстий в выходной его части, а также практически соосно расположенную вставку, разделяющую полость трубопровода на центральный (для жидкого топлива) и кольцевой (для газообразного топлива) каналы. Недостатком устройства является неравномерное смешивание газа и жидкого топлива даже при наличии боковых отверстий в выходной части трубопровода, подачи регулируемого потока воздуха и при наличии экрана для разделения этого потока на два и для направления пламени. Такая конструкция горелки при эксплуатации требует постоянного контроля за мощностью трех регулируемых потоков и равномерным устойчивым горением. Кроме того, горелка может работать только при постоянной подаче двух типов топлива - жидкого и газообразного.
Задачей предлагаемого технического решения является создание надежной конструкции горелки для сжигания газообразного и/или жидкого топлива, позволяющей получать однородную смесь для эффективного розжига и поддержания дальнейшего устойчивого горения (без проскоков и отрывов пламени) даже без наличия регулируемого потока воздуха. Одновременно решаются задачи поддержания устойчивого горения при отключении подачи жидкого топлива - работа только на газообразном топливе любого состава (в том числе забалластированный ПНГ I ступени сепарации с содержанием азота более 80% или высококалорийный ПНГ II ступени сепарации), а также обеспечение экономной работы горелки только на жидком топливе, что позволит минимизировать расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу.
Задача решается в горелке для сжигания газообразного и/или жидкого топлива, содержащей трубопровод с центральным и множеством боковых отверстий в выходной его части, включающий корпус трубопровода и съемную насадку, и практически соосно расположенную в трубопроводе вставку с центральным каналом, выделяющую в полости трубопровода кольцевой канал. Горелка выполнена с возможностью регулируемой подачи в центральный канал - жидкого или газообразного топлива, а в кольцевой канал - газа. При этом по внешнему краю торца вставки выполнены хотя бы четыре сквозных рассеивающих отверстия, а горелка дополнительно содержит комбинированную двухкомпонентную форсунку, включающую первую камеру завихрения для топлива центрального канала и вторую камеру завихрения для газа кольцевого канала. Первая камера, входами которой из центрального канала являются упомянутые рассеивающие отверстия, образована расположенной над этими входами кольцевой канавкой, отходящими от нее под углом к центру хотя бы двумя первыми завихряющими канавками, впадающими в сужающуюся в сторону подачи топлива конусообразную первую завихряющую полость, заканчивающуюся выходом первой камеры. Первая камера ограничена внешней поверхностью торца вставки и внутренней поверхностью первого завихрителя. Вторая камера образована являющимися ее входами из кольцевого канала хотя бы двумя вторыми завихряющими канавками, впадающими в сужающуюся в сторону подачи газа конусообразную вторую завихряющую полость, заканчивающуюся выходом второй камеры. Вторая камера ограничена внешней поверхностью первого завихрителя и внутренней поверхностью второго завихрителя. Внешняя поверхность последнего примыкает к внутренней поверхности торца насадки. При этом первые и вторые завихряющие канавки предназначены для закручивания центрального и кольцевого потоков в одном направлении (сонаправлены). Камеры расположены практически соосно с каналами горелки, входы камер являются входами форсунки, а выходы обеих камер, практически примыкающие к центральному отверстию трубопровода, образуют выход форсунки.
Предпочтительно, чтобы размер выхода первой камеры был меньше размера выхода второй камеры, который меньше размера выхода центрального отверстия трубопровода.
Предпочтительно, чтобы упомянутый торец вставки был выполнен съемным.
Предпочтительно, чтобы внутренний диаметр насадки был больше внутреннего диаметра корпуса трубопровода.
Предпочтительно, чтобы множество боковых отверстий были выполнены радиальными группами, расположенными равномерно по поверхности насадки.
Предпочтительно, чтобы в качестве газа в кольцевом канале использовали либо газообразное топливо, либо воздух.
Предпочтительно, чтобы насадка и второй завихритель были выполнены в виде одной детали.
Предлагаемая конструкция горелки для сжигания газообразного и/или жидкого топлива имеет компактную конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении. Горелка может быть установлена в топках путевых подогревателей (ПП) нефти, воды, соль-воды типа ПП-1,6, ПП-0,63, ПП-0,3, ПНПТ-1,6, ПНПТ-0,63, в печах нагрева нефти ГПС-1, П-15, в топках паровых и водогрейных котлов и т.п. Горелку могут устанавливать непосредственно в специальное отверстие топки (при этом в топке выполняют отверстие для воздуховода) либо в штатное отверстие для паромеханической/механической форсунки широко применяющихся горелок дутьевого типа (ГМ, ГГВ или ГМГ (ГМГ-1,5, ГМГ-2М, ГМГ-4М)). Однако горелку и в последнем случае используют автономно, без розжига горелки дутьевого типа воздуха.
Далее осуществление и работа горелки для сжигания газообразного и/или жидкого топлива будет показана в одном из предпочтительных вариантов исполнения при различных режимах работы - как на двух, так и на одном виде топлива.
На чертеже представлена горелка для сжигания газообразного и/или жидкого топлива в одном из конкретных вариантов исполнения в одном из предпочтительных вариантов.
Изображенная на чертеже горелка для сжигания газообразного и/или жидкого топлива (далее горелка) содержит образующие трубопровод полые цилиндрические корпус трубопровода 1 и насадку 2, и образующие вставку полый цилиндрический корпус вставки 3 и рассекатель 4 (образует торец вставки) со сквозными рассеивающими отверстиями 5 (восемь в данной реализации), расположенными по окружности его внешнего края. Рассекатель закрывает выходное отверстие корпуса вставки 3 и является торцом вставки. На рассекатель 4 последовательно установлены первый завихритель 6 с выходным отверстием из центрального канала и второй завихритель 7 с выходным отверстием (центральным выходом) кольцевого канала. В выходной части трубопровода имеются центральное отверстие 8 (центральный выход горелки) и множество боковых отверстий 9.
Вставка образует в корпусе центральный канал 10 и выделяет кольцевой канал 11. В других реализациях изобретения внутренний диаметр насадки может быть больше внутреннего диаметра корпуса, либо внутренний диаметр входной части корпуса трубопровода может быть больше внутреннего диаметра остальной его части, что позволяет расширить выходную либо входную часть канала 11 для более эффективного сжигания некоторых видов топлива.
Внешняя поверхность рассекателя 4 и внутренняя поверхность завихрителя 6 ограничивают первую камеру завихрения для топлива центрального канала (жидкого или газообразного), образованную кольцевой канавкой 12, отходящими от нее под углом к центру хотя бы двумя первыми завихряющими канавками 13 (три в данной реализации), впадающими в сужающуюся в сторону подачи топлива конусообразную первую завихряющую полость 14. Составляющие камеру элементы 12, 13, 14 выполнены в данной реализации на завихрителе 6. Входами из центрального канала в первую камеру служат продольные концентрические рассеивающие отверстия 5 торца вставки, выходом - узкое отверстие полости 14.
Вторая камера завихрения для газа кольцевого канала (горючее топливо любого состава, воздух) ограничена выпуклой внешней конусообразной поверхностью завихрителя 6 и вогнутой внутренней конусообразной поверхностью завихрителя 7 и образована хотя бы двумя вторыми завихряющими канавками 15 (три в данной реализации), соединяющимися со второй завихряющей полостью 16, вытянутой в направлении подачи топлива. Канавки 15 расположены в данной реализации на внутренней поверхности завихрителя 7, направлены под углом от края к центру и являются входами из канала 11 во вторую камеру, а узкое отверстие полости 16 является выходом из нее. Внешняя поверхность завихрителя 7 плотно прилегает к внутренней поверхности насадки.
Завихряющие канавки 13 и 15 выполнены в одном направлении для закручивания в одном направлении потоков сред при попадании соответственно из каналов 10 и 11 и расположены под углом к центрам оснований соответствующих конусов. При этом значения углов, длина первых и вторых канавок, а также параметры обеих конусных поверхностей могут быть различными и варьируются в зависимости от получения необходимых ускорений закручивания.
Детали 3, 4, 6, 7 с практически цилиндрическими боковыми поверхностями жестко зафиксированы и прижаты друг к другу насадкой 2 для исключения протечек из канала в канал и из камеры в камеру. Каналы 10, 11, первая и вторая камеры расположены практически соосно. Выходы обеих завихряющих камер практически примыкают к центральному отверстию трубопровода за счет того, что угол образующей конуса первой камеры больше угла образующей конуса второй камеры, а размеры выходов (диаметры в данной реализации) - первой, второй камеры, центрального выхода - постепенно увеличиваются.
Подача потока центрального канала (жидкого или газообразного топлива) и/или потока кольцевого канала (газа либо воздуха) в оба канала осуществляется подсоединением к соответствующим регулируемым системам их подачи в каждый из каналов (например, посредством последовательно установленных контрольных и рабочих кранов для каждого канала). Такие системы широко известны, не являются предметом настоящей заявки и поэтому не описываются.
Детали 1, 2, 3, изготавливают из стальных труб необходимой длины. Например, для корпуса трубопровода и насадки используют трубки диаметром от 32 до 50 мм, а для корпуса вставки - от 15 до 30 мм. Одни концы корпуса вставки и корпуса трубопровода обрабатывают для соединения с раздельными регулируемыми системами подачи топлива и/или воздуха. Для соединения корпуса трубопровода с насадкой на них выполняют трубную резьбу. Другой конец цилиндрической насадки заглушают, заваривая круглой металлической пластиной (стаканообразную деталь насадки можно изготовить также фрезерованием, литьем и т.п.), и просверливают в полученном торце сквозное центральное отверстие. На боковой поверхности насадки просверливают множество сквозных отверстий. На другом конце корпуса вставки выполняют внутренний уступ для установки детали рассекателя. При выполнении вставки единой деталью торец заглушают, просверливают в нем от четырех и более сквозных отверстий. Детали 4, 6, 7 изготавливают литьем либо обработкой цилиндрических заготовок сверлением, фрезерованием, шлифованием, добиваясь плотного прилегания всех деталей горелки друг к другу. Для облегчения сборки завихритель 7 и насадка могут быть выполнены в виде единой детали, либо на их прилегающих поверхностях могут быть выполнены ответные рельефы.
Размеры деталей, а также размеры и количество отверстий, канавок выбирают в зависимости от требуемой мощности, видов топлива, а при установке Горелки в горелки типа ГМГ, ГМ, ГГВ - и в зависимости от размеров отверстия в их торце.
Боковые отверстия насадки имеют диаметр от 2 до 6 мм. Количество и расположение их варьируют в зависимости от необходимых показателей горелки. Возможно, например, их выполнение в три/четыре группы радиально расположенных отверстий по три/четыре отверстия в каждой. Группы равномерно разнесены по поверхности насадки. Рассеивающие отверстия и выходные отверстия завихрителей имеют размеры от 1 до 2 мм, а размеры полукруглых в сечении канавок соизмеримы с ними для поддержания и наращивания давления в камерах.
Сборка горелки. Корпус вставки продевают в корпус трубопровода, располагая их соосно. Заглушают кольцеобразный канал 11 со стороны подачи топлива за местом подачи газа, чем закрепляют один конец вставки. Другой конец вставки крепят к корпусу точечно, не перекрывая полученный кольцевой канал. На уступ корпуса вставки устанавливают рассекатель 4, затем завихритель 6, так что кольцевая канавка установлена над рассекающими отверстиями с образованием первой камеры. На кольцевую ступеньку вокруг выступающего конуса внешней поверхности первого завихрителя устанавливают второй завихритель со вторыми завихряющими канавками на ответном кольце внешнего края и конусной поверхностью, образующими внутреннюю поверхность второго завихрителя. При этом образующие полость 16 конусные поверхности не соприкасаются, а канавки 15 и полость 16 образуют вторую завихряющую камеру. На корпус трубопровода наворачивают насадку, фиксируя все детали, при этом выходы камер практически совмещаются с центральным выходом горелки.
Описание работы.
Горелку устанавливают в специальное отверстие топки, закрывая его полностью (например, стопорным устройством, закрепленным на корпусе трубопровода - на чертеже не показано), подключают к регулируемым системам (с контрольными и рабочими кранами) подачи нефти в центральный канал и ПНГ - в кольцевой канал. К другому отверстию топки (воздуховоду) подключают регулируемое устройство подачи воздуха.
2
2
3
8
4
10
5
12
Подачей воздуха осуществляют предварительную продувку (вентиляцию) топки. Далее уменьшают либо полностью прекращают подачу потока воздуха закрытием шибера. Производят розжиг запальной горелки, работающей, например, на природном газе. Далее производят продувку кольцевого канала через свечу безопасности (не показана) между контрольным и рабочим кранами. Последовательно открывают контрольный, затем постепенно рабочий кран перед горелкой, подавая на кольцевой канал газообразное топливо (например, ПНГ любой концентрации). Медленно открывая рабочий кран на газовой линии (от номинального - 0,1 до максимального - 3 кгс/см), постепенно увеличивают давление в кольцевом канале до розжига горелки. При этом более легкие негорючие газы (в том числе азот, гелий и др.) первыми выходят из боковых отверстий насадки в топку, где вредные соединения разлагаются (при этом других соединений при высокой температуре в топке не образуется), не участвуют в горении, а по дымовой трубе выводятся в атмосферу. Скорость более тяжелых газов (СН, СН, СН и т.п.) падает, встречая сопротивление торца насадки, они позднее выводится в топку через боковые отверстия насадки и дополнительным закрученным потоком - через вторую камеру (по завихряющим канавкам и завихряющей полости). При определенном давлении в зависимости от степени горючести газ в топке воспламеняется от запальной горелки. Запальную горелку гасят. Таким образом, завихритель 7 делит кольцевой поток топлива на два - кольцевой (рассеянный, но направленный за счет естественной тяги топки) и центральный, ускоряет этот центральный поток, который в дальнейшем играет роль запальника и поддерживает второе кольцевое пламя, обеспечивая устойчивую работу горелки без проскока и отрыва пламени и высокую протяженность пламени даже при перепаде давления ПНГ в системе от 0,005 до 1 кгс/см. При этом работы горелки типа ГМГ или запальной горелки, а также регулирования и поддержания подачи воздуха не требуется. Розжиг горелки возможен при минимальной нагрузке.
При необходимости увеличивают пламя увеличением подачи ПНГ. Таким образом и обеспечивается работа горелки только за счет кольцевого канала - на газообразном топливе любого качества (от природного газа до забалластированного ПНГ).
2
2
При необходимости работу горелки переводят в смешанный режим, для чего открывают подачу другого топлива в центральный канал, постепенно наращивая в нем давление. Например, при работе на товарной нефти давление в канале может изменяться от 0,1 кгс/см до 16 кгс/см. Поток жидкого топлива, рассекаясь отверстиями торца вставки (рассекателя), поступает последовательно в кольцевую, закручивающие канавки, сужающуюся конусную полость второй камеры завихрения. Давление и скорость закручиваемого топлива нарастают за счет уменьшения количества отверстий с хотя бы четырех в рассекателе (восемь в данной реализации), до хотя бы двух завихряющих канавок (три) и одного выхода полости. Жидкость, закрученная в направлении газа первой полости, при высоком давлении и скорости на выходе горелки интенсивно смешивается с газом. Дальнейшее смешивание закрученных потоков происходит и дальше - в топке, производится розжиг смеси.
Таким образом, комбинированная двухкомпонентная форсунка (из двух камер завихрения), образованная торцом вставки (рассекателем) со струйными входами форсунки, двумя завихрителями и центральным выходом горелки, позволяет автономно раскручивать оба потока топлива для их максимально эффективного смешивания на выходе форсунки (в топке) при поддержании высокой скорости и давления, что обеспечивает направленность потока раскрученной смеси для поддержания эффективного горения второго кольцевого пламени большой протяженности. Кроме того, небольшое расширение центральным отверстием насадки (диаметр выхода первой камеры меньше диаметра выхода второй камеры, который в свою очередь меньше диаметра центрального отверстия насадки) дает дополнительный эффект при смешивании и направленном рассеянии потока.
Аналогично обеспечивается совместная работа на двух видах топлива при подаче в центральный канал легких фракций (метан, бутан или другие), природного газа, а кольцевой - ПНГ низкого качества.
При нехватке газа в кольцевом канале, его подачу постепенно прекращают, следя за наличием пламени от топлива центрального канала. Горелка работает только на одном виде топлива. Закручивание и распыление центрального потока обеспечивает устойчивую работу горелки и в этом режиме при естественной тяге топки. При этом сохраняется эффект максимального сжигания топлива, а следовательно, его экономии при исключении образования вредных соединений.
Аналогично работа горелки обеспечивается при подаче жидкого топлива в центральный канал и воздуха в кольцевой канал; газообразного топлива в центральный канал и воздуха в кольцевой канал. При этом кольцевой канал подключается к системе подачи воздуха. Производят розжиг пламени от запальной горелки топлива, подаваемого в центральный канал, запальную горелку гасят.
Отключение горелки производят следующим образом.
Уменьшают нагрузку попеременным уменьшением подачи топлива и газа в оба канала горелки до полного закрытия рабочего, затем контрольного кранов обоих каналов.
При завершении подачи газообразного топлива в кольцевой канал открывают кран на свече безопасности.
Несмотря на то, что конструкция горелки показана и описана на конкретных вариантах осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных формулой изобретения.
В том числе: кольцевая канавка и завихряющие канавки первой камеры завихрения могут быть выполнены на торце вставки; завихряющие канавки для газа могут располагаться по краю внешней поверхности завихрителя 6; завихряющие канавки могут быть выполнены наклонно к продольной оси горелки; завихритель 7 и насадка могут быть выполнены в виде единой детали; множество боковых отверстий выходной части трубопровода может быть расположено на укороченной насадке и на части корпуса трубопровода; диаметр насадки может быть больше диаметра корпуса трубопровода; внутренний диаметр входной части корпуса трубопровода может быть больше внутреннего диаметра остальной его части и т.д.
Конструкция горелки позволяет достигать удлинения конуса пламени на длину от 0,5 до 1,3 м больше пламени ГМГ, обеспечивая более равномерный и интенсивный прогрев топки и равномерное сгорание ПНГ. Описанное устройство позволяет использовать ПНГ (в том числе I и II ступеней сепарации), обеспечивая его утилизацию до 100% непосредственно на объектах нефтедобычи. Исключается выброс вредных веществ в атмосферу, т.к. при воздействии высоких температур в топке вредных азотных соединений не образуется, а в атмосферу выбрасывается чистый азот. Поэтому удается избежать штрафных санкций за загрязнение окружающей среды. При этом конструкции горелки проста и надежна при использовании.