УСТРОЙСТВО ГОРЕЛОЧНОЕ

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для сжигания газообразного топлива различной насыщенности по содержанию азота (в том числе природного газа, попутного нефтяного газа (ПНГ) I, II ступеней сепарации, легких фракций). Устройство горелочное (УГ) может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности для работы в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов, в теплогенераторах, а при установке кожуха - в качестве автономной факельной установки для утилизации ПНГ и т.п.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является горелка универсальная (патент РФ №2522341, опубл. 20.05.2014, Короткий В.В, Федоров Ю.В., г. Ижевск), содержащая трубопровод из основания (корпуса) и оголовка (насадки) и практически соосно расположенную, выступающую за оголовок (п. 11 формулы изобретения), практически цилиндрическую вставку с центральным каналом подачи топлива. Внутренний диаметр насадки больше внутреннего диаметра оголовка (стр. 9 описания к изобретению), поэтому вставка образует в трубопроводе расширяющийся кольцевой канал подачи топлива. Оголовок имеет множество боковых струйных выходов (отверстия в насадке). Горелка выполнена с возможностью регулируемой подачи топлива в каждый из каналов. Недостатком является возможность проскока пламени в систему подачи топлива.
Задачей полезной модели является создание устройства горелочного с возможностью саморозжига после кратковременных остановок подачи топлива, позволяющего исключить проскоки пламени в систему подачи топлива.
Устройство горелочное (УГ) содержит металлические расположенные практически соосно трубопровод и практически цилиндрическую вставку с первым (центральным) каналом подачи топлива, образующую в трубопроводе расширяющийся второй (кольцевой) канал подачи топлива. Деталь трубопровода содержит расположенные последовательно основание, диффузор и оголовок (то есть трубопровод дополнительно снабжен диффузором, расположенным между основанием и оголовком). Оголовок имеет множество форсуночных отверстий (боковые струйные выходы кольцевого канала) на его боковой поверхности. При этом на торцевой поверхности оголовка (торец оголовка) выполнены хотя бы пять форсуночных отверстий (торцевых струйных выходов кольцевого канала), а на выступающей за оголовок выпуклой части вставки выполнено множество форсуночных отверстий (струйных выходов центрального канала).
Внутренний диаметр оголовка больше внутреннего диаметра основания. Во вставке и в диффузоре трубопровода установлены практически соосно с трубопроводом соответственно первый и второй рассекатели с множеством форсуночных отверстий. Рассекатели при падении давления топлива являются огнепреградителями, предотвращающими проскок пламени в систему подачи топлива.
Предлагаемое техническое решение УГ предотвращает проскоки пламени; обладает улучшенными диффузионно-инжекционными качествами, обеспечивает более полное смешение газа с воздухом, увеличивает пропускную способность УГ при полном безопасном сгорании забалластированного ПНГ, доводит коэффициент избытка воздуха до 1,15; возобновляет работу без принудительного розжига при подаче топлива после кратковременных простоев, пока тепловой энергии в диффузоре достаточно для самовозгорания; обладает простотой и экономичностью при изготовлении и обслуживании. Конструкция УГ является универсальной, может использоваться для сжигания газообразного топлива различной насыщенности по содержанию азота и других негорючих газов в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.д. Кроме того, УГ с кожухом, установленным с образованием сквозного (открытого снизу и сверху) кольцевого объема вокруг УГ, может использоваться как автономная факельная установка для утилизации ПНГ. Размеры УГ определяются из его назначения.
Целесообразно, чтобы выпуклая часть вставки была выполнена в виде стакана, а на его дне (образует торец вставки) было выполнено хотя бы пять из множества форсуночных отверстий. Целесообразно, чтобы диффузор был выполнен конусообразным.
Далее осуществление и работа УГ будут показаны в одном из предпочтительных вариантов исполнения при установке в теплогенератор (ТГ).
Фиг. 1 - схематический чертеж теплогенератора.
Фиг. 2 - схематический чертеж устройства горелочного в одном из предпочтительных вариантов исполнения (с цилиндрическим диффузором).
Теплогенератор (ТГ), представленный на фиг.1, содержит корпус 1, установленные на его внешней поверхности два змеевика 2, каждый из которых закрыт кожухом змеевика 3, и устройство горелочное 4 (УГ), установленное с радиальным зазором внутри корпуса на регулирующем механизме 5 (РМ) и подключенное к внешней системе подачи топлива (на фиг. не показана) посредством гибкой подводки 6. В корпусе выполнены отверстия различного размера, формы и назначения: в нижней части корпуса - регулируемые воздухозаборники 7 с шиберами, хотя бы одно отверстие для гибкой подводки (два в данной реализации), хотя бы одно отверстие для установки РМ (два в данной реализации), на разной высоте корпуса - два смотровых отверстия 8, которые могут использовать и как запальные для розжига УГ; в верхней части корпуса отверстие для установки датчика температуры дымовых газов 9. Отверстия могут быть снабжены направляющими патрубками, в некоторых дополнительно установлена теплоизоляция (например, в отверстиях для гибкой подводки, для датчика).
Кожухи змеевиков могут быть выполнены и закреплены на корпусе любыми известными способами. В данной реализации коробчатые кожухи установлены на кронштейнах. В кожухах выполнены вентиляционные отверстия 10, в местах примыкания кожуха змеевика к корпусу установлена теплоизоляция 11. При вертикальном расположении змеевиков соединение с системами подачи/отвода теплоносителей может осуществляться снизу через вырезы в кожухах. В других вариантах исполнения может быть предусмотрен общий кожух для обоих змеевиков.
Вокруг УГ закреплен кожух устройства горелочного 12 с образованием между ним, УГ и корпусом радиальных зазоров. В кожухе 12 выполнены хотя бы два вентиляционных отверстия 13. В данной реализации отверстия 13 выполнены по окружности кожуха двумя группами (по два вертикально расположенных отверстия в группе) напротив друг друга для охлаждения кожуха на максимальных нагрузках и закручивания потока воздуха для лучшего горения при минимальных нагрузках.
Диффузионно-инжекционное УГ 4, изображенное на фиг. 2, содержит цилиндрические основание 21, диффузор 22, оголовок 23, образующие деталь трубопровода, и выступающую за торец оголовка своей выпуклой частью вставку 24. Посредством форсуночных отверстий выполнены: в центральном канале 26 на выступающей стаканообразной части вставки  24 множество струйных выходов 27 центрального канала 26. При этом на дне стакана (на торце вставки) выполнено в данной реализации пять струйных выходов 27 - один в центре и четыре разнесены равномерно, а остальные расположены на боковой поверхности стакана; в расширяющемся кольцевом канале 28 на боковой поверхности оголовка 23 - множество боковых струйных выходов 29 кольцевого канала 28, а на кольцевой детали торца трубопровода - более четырех (шестнадцать в данной реализации) торцевых струйных выходов 30 кольцевого канала 28.
Входные торцы каналов, противоположные торцам со струйными выходами, заглушены. Кольцевые детали на торцах трубопровода позволяют также закрепить вставку. В центральном канале 26 вставки 24 установлен первый рассекатель 31, в диффузоре 22 кольцевого канала 28 трубопровода - второй рассекатель 32 с множествами форсуночных отверстий 33. Первый рассекатель 31 установлен ниже второго 32. Оба рассекателя 31 и 32 установлены в каналах соосно, выполнены пластинчатыми (могут быть конусообразной, сферической формы и т.п.).
Цилиндрические оголовок 23 и диффузор 22 имеют большие диаметры, чем основание 21, упрощая установку ступенчатой детали трубопровода УГ на РМ 5. УГ могут устанавливать другими способами в зависимости от выбранного РМ (например, на специально предусмотренных гнездах, упорах, кольцах основания или диффузора УГ, в направляющих желобах на основании УГ и т.п.).
В качестве РМ могут быть использованы широко известные механизмы различного типа, например рычажный, блочный либо винтовой (передача винт-гайка). РМ содержит регулятор (например, одна, две, три детали, выведенные наружу через специальные отверстия в корпусе) и выполнен с возможностью установки УГ на держателе РМ (в зависимости от типа РМ - одна кольцевая деталь, две дугообразные детали, кольца и т.п.). Отверстия в корпусе также могут иметь разную форму в зависимости от типа РМ. РМ может перемещать.
Привод РМ также может быть различным - механическим, пневматическим, гидравлическим, электрическим.
Системы подачи топлива (газообразного или легких фракций нефти) в каждый из каналов УГ, теплоносителей в каждый из змеевиков, а также воздухозаборники являются регулируемыми. Подачу топлива и теплоносителей, степень подъема шиберов воздухозаборников регулируют по необходимости, в том числе исходя из показаний датчиков температуры теплоносителей, дымовых газов, - вручную либо посредством автоматизированных систем управления. УГ подключено к системе подачи топлива посредством патрубков и фланцевых соединений с помощью гибкой подводки 6 (например газовые металлорукава), выполненной из жаропрочного материала.
Детали и комплектующие ТГ являются в основном металлическими (кроме изолирующих материалов). Детали изготавливают (резаньем, сваркой, сгибанием, сверлением - перфорация для струйных выходов) из листового материала и труб различного диаметра. Варианты исполнения могут быть различными. Например, цилиндрический корпус может иметь дно, кожух 3 может быть выполнен из одной или нескольких деталей, может быть съемным, открывающимся и т.д. Выполнение кожухов 3 съемными существенно упрощает сборку, обслуживание и ремонт установки.
3
Тип, размеры, толщина материалов, разница диаметров заготовок для изготовления РМ, корпуса, деталей УГ - оголовка, основания, кожуха, может быть различной в разных устройствах, и определяется с учетом получения конкретных параметров ТГ и УГ, максимальной суммарной мощности системы, к которой подключают УГ, и т.п. Например, при плановом расходе газа от 35000 до 50000 м/сут цилиндр корпуса выполняют из жаропрочной или нержавеющей стали толщиной 10-12 мм диаметром не менее 2 м, высотой от 8 до 10 м, УГ - из жаропрочной стали диаметром 200 мм, змеевик - из обычной стали диаметром от 50 до 150 мм, дно может быть выполнено из обычной стали Ст20, ВСт3сп2.
Корпус (топку ТГ) устанавливают на железобетонный фундамент, заземляют. С наружной стороны корпуса приваривают кронштейны, на которые навешивают вертикально, наклонно или горизонтально два продуктовых змеевика. Снаружи змеевики закрывают коробчатыми теплоизоляционными кожухами 3 (внешний диаметр до 2,8 м), прокладывая теплоизоляцию в местах примыкания кожухов к корпусу. Кожухи защищают змеевики также от внешних воздействий. Змеевик не примыкает вплотную ни к корпусу, ни к кожуху.
В корпусе ТГ устанавливают РМ 5, выводя регулятор РМ наружу через специальные отверстия в нижней части корпуса. На держатель РМ внутри корпуса устанавливают УГ 4 с жестко закрепленным (например, посредством штыревых соединителей) кожухом 12. Оптимально, чтобы оголовок УГ был установлен на одном уровне со змеевиками. Кожух 12 установлен так, что образует сквозные кольцевые объемы с оголовком УГ и корпусом ТГ. Это с одной стороны обеспечивает постоянный естественный приток воздуха для поддержания и направления пламени, с другой - позволяет сохранять и передавать накопленную тепловую энергию оголовку (для поддержания пламени на низких нагрузках и саморозжига после временного прекращения подачи топлива на УГ) и корпусу (для равномерного нагрева теплоносителя).
РМ позволяет при необходимости перемещать УГ с кожухом вертикально вдоль оси корпуса (плавно либо дискретно).
Далее производят нижнее подключение змеевиков к автономным системам подачи/отвода теплоносителей (возможна подача двух различных сред). Патрубки каналов УГ соединяют с системой подачи топлива гибкой подводкой. В данной реализации центральный канал подключают к трубопроводу с горючим ПНГ второй ступени сепарации, кольцевой - к трубопроводу с ПНГ первой ступени сепарации ПНГ (в том числе забалластированным). Могут быть другие известные варианты подачи топлива. Как правило, осуществляют подключение, при котором топливо в кольцевом канале имеет не лучшие характеристики горючести по отношению к топливу в центральном канале.
Перед УГ каждый из трубопроводов системы снабжен рабочим краном, свечой безопасности, клапаном безопасности. Перед клапаном безопасности на газопроводе устанавливают ручное запальное устройство. Конструкция УГ со встроенными рассекателями позволяет не устанавливать огнепреградители в трубопроводах.
Заполняют змеевики теплоносителями, приводя системы подачи/отвода теплоносителей в рабочее состояние (в режим циркуляции либо подачи/отвода). Проводят контрольную опрессовку газопроводов системы подачи топлива и всего оборудования ТГ. Далее - подачей топлива - продувку газом обоих газопроводов и газооборудования ТГ для удаления воздуха. Проводят вентиляцию топки при открытых воздухозаборниках (возможно с принудительной подачей воздуха). Опускают шибера, практически перекрывая воздухозаборники.
Розжиг УГ производят в режиме работы на низких нагрузках. Первичный пуск УГ производят от разожженного ручного запального устройства (РЗУ) через верхнее смотровое отверстие 8. Для этого постепенно открывают доступ топлива в центральный канал, производят розжиг топлива, выходящего через множество струйных выходов центрального канала, с образованием центрального пламени. Постепенно открывают доступ топлива в кольцевой канал до розжига струй топлива из торцевых и боковых выходов кольцевого канала, которые воспламеняются центральным пламенем с образованием опоясывающего оголовок пламени. Расширение кольцевого канала и второй рассекатель в диффузоре, замедляя скорость газа, дают выход легким (без излишнего нагрева). Тяжелые составляющие ПНГ прогорают полностью. После установления устойчивого горения и прогрева УГ и кожуха 12 увеличивают нагрузку на УГ, постепенно открывая рабочие краны перед УГ. При необходимости регулируют размер вентиляционных отверстий воздухозаборников. При необходимости размер пламени УГ меняют регулированием рабочих кранов перед УГ. Поток воздуха в зазоре между оголовком и нагревающимся кожухом УГ направляет и ускоряет газы, создавая устойчивое (без отрыва) горение общего пламени. Проскоки пламени в систему подачи топлива при падении давления предупреждаются рассекателями. Они являются огнепреградителями втягивающегося внутрь пламени. При этом горение ПНГ в оголовке продолжается. За счет того, что первый рассекатель установлен ниже второго скорость топлива в центральном канале увеличивается, позволяя экономить топливо более высокого качества, а также равномерно прогревать окружающий УГ объем (важно при установке УГ в топках нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов).
Повторный розжиг УГ производят с помощью электрозапального устройства, установленного в корпусе. Кроме того, при возобновлении подачи топлива после небольших перерывов работы УГ может производиться саморозжиг УГ, пока кожух 12 сохраняет достаточное количество тепловой энергии для воспламенения, чему дополнительно способствует корпус. Увеличение длины кожуха 12 увеличивает теплоотдачу от кожуха к корпусу, а при автономном использовании факельной установки кожух 12 образует топку УГ для более эффективного сжигания ПНГ. Датчик 9 температуры дымовых газов позволяет оценивать эффективность работы УГ.
Принцип работы ТГ основан на передаче тепла лучистым теплообменом от пламени УГ через кожух УГ и корпус к продуктовым змеевикам с циркулирующим либо протекающим в них теплоносителях. При этом пламя УГ непосредственно нагревает только кожух 12, не перегревая корпус ТГ, змеевики и кожухи 3, что позволяет экономить на обслуживании и материалах.
Температуру теплоносителя регулируют подъемом либо обратным спуском УГ вдоль оси корпуса посредством внешнего регулятора РМ 5, уменьшая либо увеличивая нагрев корпуса в области установки змеевиков. При перепадах давления в системе подачи топлива не требуется регулирование пламени и потока теплоносителей.
При остановке теплогенератора постепенно уменьшают нагрузку в кольцевом канале УГ, затем в центральном. Для полной остановки закрывают оба крана, открывают краны на свечах безопасности.
2
3
Конструкции ТГ и УГ позволяют работать без проскоков и отрывов пламени на газе любого качества (в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с содержанием азота более 80-98%) без применения газорегуляторных устройств даже при резких перепадах давления в системе подачи топлива (от 0,01 до 4 кгс/см), экономить топливо высокого качества в процессе переработки добываемого сырья ТГ и УГ различных габаритных размеров могут применяться на нефтяных и газовых месторождениях с различными объемами добычи ПНГ (от 120 м/сут и более) для нагрева различных видов теплоносителей (в том числе для жизнеобеспечения месторождений).