ОГОЛОВОК ФАКЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к устройствам для сжигания аварийных выбросов газа в различных отраслях промышленности, например в нефтегазодобывающей, работающим с использованием эффекта Коанда.
Известно устройство (международная заявка WO2014179650, МПК F23G 7/08, дата публ. 06.11.2014), обеспечивающее минимизацию образования дыма в факельной установке, включающее кольцевой газовый дефлектор, имеющий внешнюю поверхность обтекания отходящих газов и множество ребер, проходящих радиально от внешней поверхности дефлектора для обеспечения улучшенного смешивания отходящего газа и воздуха для обеспечения полноты сгорания. Дефлектор включает чашу в форме тюльпана с поверхностью Коанда. Чаша Коанда выполнена с возможностью перемещения. В поднятом положении посадочная часть чаши Коанда приподнята относительно посадочной части опорного рычага с образованием зазора между ними, позволяющему проходить потоку отработанного газа через него. В нижнее положение посадочная часть чаши Коанда переводится посредством пружины, при этом посадочная часть чаши Коанда контактирует с посадочной частью опорного рычага.
Известна "Факельная установка" полезная модель, патент №198838, МПК F23D 14/20, от 21.04.2020 содержащая факельный ствол, факельный оголовок, газовый затвор, запально-защитное устройство с электроискровым розжигом и контролем пламени. Газовый затвор факельной установки также выполнен в виде тела обтекания для реализации эффекта Коанда и жестко установлен на тяге с возможностью перемещения вдоль своей оси для изменения проходного сечения сбросных газов при изменении расхода, а верхний торец газового затвора и конический буртик образуют контур для стабилизации пламени.
Известен "Оголовок факельной установки" (полезная модель, патент №188634, МПК F23D 14/20, от 18.04.2019 г.), содержащий газоподводящий ствол и газовый затвор выполненный в виде чаши, обращенной дном в сторону газоотводящего ствола, на внутренней поверхности которого, у верхнего среза, установлен турбулизатор (выбран в качестве прототипа).
К недостаткам данных устройств можно отнести ненадежность при работе на низких скоростях потока сбрасываемого газа и нестабильной его подаче. Сила эффекта Коанда зависит от очень многих факторов, главным образом от скорости потока и соотношения диаметра потока и кривизны стенки h/r, а также от формы и шероховатости поверхности, расположения и геометрии сопла, и не все из них могут быть описаны с использованием математических формул. Реальные значения можно получить исключительно экспериментальным путем. Кроме того эксперименты, проведенные с пристенной струей вдоль круглой стенки, показывают, что эффект Коанда не возникает в ламинарном потоке, а критические отношения h/r для малых чисел Рейнольдса намного меньше, чем для турбулентного потока: до h/r=0,14, если Re=500, и до h/r=0,05, если Re=100. То есть прилипание струи к поверхности обтекания может наблюдаться не во всех случаях, что влияет на качество работы факельной установки.
Кроме того, вес самой чаши создает большое газодинамическое сопротивление при аварийных сбросах, которое препятствует применению таких оголовков на факельных системах низкого давления.
Техническая задача полезной модели состоит в повышении надежности работы установки и расширении возможностей ее применения.
Технический результат - максимально возможная полнота сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей, исключение дымообразования в разных режимах работы установки, в т.ч в условиях нестабильного давления и расхода сжигаемого газа.
Технический результат достигается тем, что оголовок факельной установки содержит факельный ствол, газовый затвор с чашей, выполненной в виде тела обтекания, установленный на тяге с возможностью перемещения вдоль своей оси для изменения проходного сечения сбросных газов, при этом на внутренней стороне чаши установлен пружинный клапан, настроенный на минимально допустимое давление выброса сжигаемых газов, а радиус кривизны наружной поверхности чаши от точки входа потока газа до края выбран из условия, что отношение диаметра потока газа к радиусу кривизны поверхности ≤0,05.
На фиг. 1 изображен общий вид факельного оголовка.
На фиг. 2 изображен вид А, пружинный клапан.
Факельный оголовок 1 содержит факельный ствол 2, газовый затвор 3, связанный с тягой 4 и выполненный с возможностью продольного перемещения вдоль оси факельного оголовка 1, в верхней и нижней части которого выполнены неподвижные центраторы 5. Тяга 4 снабжена ограничительным упором 18.
Чаша газового затвора 3 обращена выпуклой поверхностью вниз и образует тело обтекания для реализации эффекта Коанда, а внутри чаши установлен пружинный клапан, устройство которого показано на фигуре 2.
Для лучшей реализации эффекта Коанда, радиус кривизны наружной поверхности чаши от точки входа потока до края, выбирается таким образом, чтобы расчетное отношение диаметра потока к радиусу кривизны поверхности h/r не превышало величины 0,05, что обеспечит прилипание струи к поверхности чаши при любом режиме движения газового потока, а увеличение длины образующей чаши по которой движется поток, позволит направить его ближе к центру горения факела и улучшить качество сжигания сбрасываемых газов.
Пружинный клапан состоит из неподвижно соединенных с чашей (например, посредством сварки) седла 6 и опоры 7 с отверстиями 8 в верхней части для выхода сжигаемого газа. В опору 7 вставлен и закреплен болтами или шпильками 9 корпус клапана 10 с тарелками 11,12 и пружиной 13. Сила прижатия тарелки 12 в седле 6 задается регулировочным болтом 14 и контргайкой 15. Тарелка 11 обеспечивает фиксацию и настройку величины усилия пружины 13, передаваемого на тарелку 12. Количество отверстий 8 в опоре 7 предпочтительно составляет от одного до восьми.
Также факельный оголовок содержит запальное устройство (фиг. 1), состоящее из дежурной горелки 16 и электрода свечи 17.
Работает факельный оголовок следующим образом.
Предварительно пружинный клапан настраивается на минимально допустимое давление сброса газов. Затем подводится газ к дежурной горелке 16 и подается напряжение на электрод свечи 17. Газо-воздушная смесь воспламеняется за торцом эжектора и поджигает избыточную часть газа, поступающего по трубке подачи газа, обеспечивая при этом устойчивое горение дежурной горелки 16.
Подаваемый на сжигание газ проходит по факельному стволу 2, поступает в пружинный клапан через отверстие в седле 6 пружинного клапана, давит на тарелку 12 пружинного клапана и при превышении давления настройки клапана приподнимает ее и через отверстия 8 в опоре 7 выходит в центральную зону чаши, где воспламеняется от пламени дежурной горелки 16.
При дальнейшем повышении давления поток газа проходит по факельному стволу 2, поступает под газовый затвор 3, поднимает его за счет повышающегося давления и через образовавшийся кольцевой зазор между верхним торцом факельного ствола 2 и обтекаемой поверхностью газового затвора 3 выходит в атмосферу, прилипая вследствие возникающего эффекта Коанда к поверхности чаши и создавая вокруг нее зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Скорость истечения газа в атмосферу определяется избыточным давлением под газовым затвором 3 и зависит от суммарного веса газового затвора 3 и тяги 4.
Воздух смешивается с поступающим газом, и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей чаши газового затвора 3, к выходу первого потока газа от пружинного клапана. В результате интенсивного перемешивания сбросного газа с воздухом образуется горючая смесь, которая воспламеняется от факела, созданного первым потоком газа и пламени дежурной горелки.
В итоге эксплуатационная надежность факельной установки при работе в условиях нестабильного давления и расхода сжигаемого газа заметно повышается за счет предлагаемых конструктивных доработок.