ТЕПЛОГЕНЕРАТОР УНИВЕРСАЛЬНЫЙ
MULTI-OPERATED HEAT GENERATOR

Изобретение относится к теплообменным устройствам для подогрева жидких или газообразных сред и может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности.
Известен теплогенератор пульсирующего горения (патент на изобретение №2454611, 27.06.2012, ОАО "Татнефть" имени В.Д. Шашина), включающий камеру сгорания, емкость для нагреваемого теплоносителя, смесительное устройство, сообщенное с патрубками подвода топлива и воздуха с двумя соответствующими ресиверами, обратными клапанами, патрубками отвода продуктов сгорания. Емкость для нагреваемого теплоносителя выполнена в виде многозаходного трубопровода. Недостатком является сложность конструкции теплогенератора за счет необходимости обеспечения герметичных внутренних соединений, а также наличия обратных клапанов, обеспечивающих возможность утилизации неравномерно поступающего забалластированного попутного нефтяного газа (ПНГ), что делает нерентабельным ремонт изделия. Кроме того, для поддержания горения требуется принудительная подача воздуха.
Известен активный рекуператор (патент RU №2366862, МПК F23L 15/04, опубл. 10.09.2009), содержащий цилиндрический сборный корпус из отдельных последовательно расположенных секций с прикрепленными к ним разделительными элементами (в том числе пластинами) для перекрестного движения воздуха и воздуховоды. Конструкцию усложняет необходимость крепления пластин в различных точно определенных положениях, наличие других деталей (спиц, подшипника и т.п.). Рекуператор имеет ограниченный ресурс при работе на высоких температурах и требует больших затрат при ремонте.
Известна универсальная факельная установка (патент на изобретение №2554684 27.06.2015, Д.В. Арсибеков, Ш.Р. Габидуллин, В.В. Короткий), включающая устройство горелочное (УГ) диффузионно-инжекционного типа и кожух (корпус теплогенератора), расположенный с открытым радиальным зазором вокруг УГ. УГ имеет хотя бы один канал подачи топлива с расположенным в нем практически соосно рассекателем топлива. Установка может использоваться для эффективной утилизации ПНГ любого состава на нефтяных месторождениях как с большими, так и с малыми объемами добычи ПНГ. Однако она не предназначена для полезного использования выделяемого тепла.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является блок утилизатор-рекуператор попутного нефтяного газа (патент на полезную модель №118400, 20.07.2012, Рыков О.В.) для нагрева хотя бы одного вида теплоносителя, содержащий металлический корпус (топка по описанию), установленное в нем УГ с одним каналом подачи топлива, а также трубопровод для подачи и отвода теплоносителя (жидкого или газообразного), навитый вдоль внутренней поверхности кожуха (корпуса по описанию), окружающего корпус. Корпус является топкой открытого типа (нижний и верхний торцы не заглушены, УГ установлено с образованием открытого радиального зазора между УГ и корпусом) для естественной тяги воздуха.
Недостатки устройства:
- невозможность сжигания ПНГ с высоким содержанием негорючих газов, несмотря на хорошую тягу. Для утилизации негорючего ПНГ необходимо смешивать его с природным газом или с сжиженным пропан-бутаном, что приводит к дополнительным расходам, но не решает проблемы загрязнения окружающей среды токсичными соединениями азота, образующимися при низких температурах горения (до 600°C);
- сложность монтажа трубы для подачи нагреваемого агента на внутренней поверхности кожуха;
- большие затраты при ремонте, требующем разборки устройства с полной заменой хотя бы одной сборочной детали (кожуха, корпуса топки, трубы для подачи теплоносителя);
- возможность работы лишь на узких диапазонах входного давления топлива, необходимость установки газорегулирующих установок в системе подачи топлива;
- невозможность функционирования на нефтяных месторождениях с небольшими объемами добычи ПНГ.
3
3
Задачей предлагаемого технического решения является разработка конструкции теплогенератора универсального (ТГ), исключающей вышеуказанные недостатки. Конструкция ТГ для нагрева хотя бы одного вида теплоносителя должна быть простой, удобной при изготовлении, обслуживании и ремонте, обеспечивать эффективную утилизацию ПНГ любого состава (в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с содержанием азота более 80 - 98%) на месторождениях как с небольшими (от 20 м/сут), так и с большими (ло 100000 м/сут) объемами добычи ПНГ при минимальном регулирования подачи топлива к горелочному устройству ТГ (без обязательной установки газорегулирующих установок).
Сущность предлагаемого технического решения.
Заявленный технический результат достигается в теплогенераторе универсальном, содержащем металлические корпус, установленное в нем с открытым радиальным зазором устройство горелочное (УГ) с хотя бы одним каналом подачи топлива, а также хотя бы один трубопровод для подачи и отвода теплоносителя (жидкого или газообразного). При этом УГ является устройством диффузионно-инжекционного типа, над УГ закреплено съемное теплообменное устройство (теплообменник, УТ), корпус ТГ является составным и содержит установленный вокруг УГ кожух УГ и основание УТ. В основании УТ установлен трубопровод для непосредственной передачи тепла дымовых газов УГ от трубопровода теплоносителю. Кроме того, над трубопроводом установлен газодымный рассекатель для усиления тяги, дополнительной тепловой защиты, а также для защиты от атмосферных осадков, что важно при малом расходе ПНГ. ТГ выполнен с возможностью подключения к системе подачи топлива в УГ и системе подачи/отвода теплоносителя в трубопровод. Системы могут быть регулируемыми.
Целесообразно, чтобы трубопровод был установлен в отверстиях, выполненных в стенках основания УТ, что позволяет упростить изготовление и сборку теплообменника, повысить прочность и надежность конструкции. При этом внешняя часть трубопровода (выступающая за внешнюю поверхность основания) может быть закрыта хотя бы одним защитным кожухом УТ. А для более эффективной защиты в пространстве между упомянутым кожухом и основанием может быть расположен теплоизоляционный материал.
Целесообразно, чтобы в упомянутом кожухе УТ были выполнены вентиляционные отверстия. Кожух может быть выполнен съемным, а в местах его примыкания к корпусу был установлен теплоизоляционный материал (теплоизоляция), что предохраняет кожух от перегрева.
Целесообразно, чтобы газодымный рассекатель был выполнен в виде съемной части корпуса и установлен на УТ.
Целесообразно, чтобы кожух УГ был закреплен на УГ, а полученная факельная установка была установлена на опору.
Целесообразно, чтобы корпус был снабжен хотя бы одним датчиком температуры (установлен, например, над трубопроводом).
Целесообразно, чтобы в кожухе УГ были выполнены хотя бы два отверстия, расположенные по окружности кожуха, предпочтительно на разной высоте для охлаждения кожуха при работе на больших нагрузках и для создания дополнительного притока воздуха для лучшего горения.
Целесообразно, чтобы на корпус ТГ была установлена дымовая труба, необходимость которой определяется теплотехническим расчетом и зависит от добычи ПНГ.
Таким образом, использование съемного легко заменяемого теплообменника позволяет получить простую и надежную конструкцию ТГ, удобную при монтаже, обслуживании, а также ремонте - в случае выхода из строя одной из его частей - газовой (УГ с кожухом) либо теплотехнической (теплообменник), а в предпочтительном варианте исполнения и конвективной части (съемный рассекатель). Использование УГ диффузионно-инжекционного типа позволяет утилизировать ПНГ низкого качества при значительных перепадах давления в системе подачи топлива без газорегуляторных установок, а лишь при наличии рабочего крана для подачи топлива. Кроме того, нет необходимости затрат на работу дежурной горелки, необходимой для безаварийной работы обычных УГ.
Предлагаемый теплогенератор является универсальным, так как при отсутствии надобности нагрева рабочей среды его конструкция позволяет использовать газовую часть в качестве автономной бездымной факельной установки без теплообменного аппарата. Последний также является универсальным, поскольку может быть установленным на другую факельную установку, где необходим нагрев рабочей среды.
В качестве УГ может быть использовано любое из известных устройств диффузионно-инжекционного типа. Такие устройства обеспечивают возможность эффективного (без вредных выбросов), устойчивого (без проскоков и отрывов пламени) сжигания ПНГ с высоким содержанием негорючих газов даже при больших перепадах давления в системе подачи топлива и резких изменениях расхода газа на входе, требуют минимального регулирования лишь при розжиге и остановке горения, работают без принудительной подачи воздуха для образования горючей смеси - только за счет естественного притока воздуха (либо естественной тягой воздуха, либо дополнительным подсосом воздуха струей газа). Такие УГ обеспечивают безаварийное устойчивое сжигание даже забалластированного ПНГ без необходимости установки газорегуляторных установок. К таким устройствам можно отнести устройство горелки по патенту РФ на изобретение №2079049 (опубл. 10.05.1997), оголовок факельной установки для бездымного сжигания газа по патенту РФ на полезную модель №36876 (опубл. 27.03.2004), устройство горелочное по патенту РФ на изобретение №2554684 (27.06.2015), горелка универсальная по патенту РФ на изобретение №2522341 (06.03.2013), горелочные устройства по патенту РФ на полезную модель №134288 (06.05.2013), горелка для сжигания газообразного и/или жидкого топлива по патенту РФ на изобретение №2441370(12.11.2013).
Далее осуществление и работа теплогенератора универсального будут показаны в одном из предпочтительных вариантов его исполнения.
На схематическом чертеже представлен теплогенератор универсальный с конвективной частью.
Теплогенератор универсальный (ТГ) содержит устройство горелочное 1 (УГ) диффузионно-инжекционного типа с хотя бы одним каналом подачи топлива 2, кожух устройства горелочного 3, установленный вокруг УГ с образованием сквозного (открытого снизу и сверху) кольцевого объема. УГ и кожух образуют факельную установку (УФ). На УФ установлено съемное теплообменное устройство (УТ), включающее основание 4, в котором установлен трубопровод 5 (многосекционный в данной реализации) для подачи/отвода теплоносителя. Трубопровод установлен в отверстия 6 основания. Внешняя часть трубопровода закрыта одним кожухом теплообменного устройства 7. Кожух 7 служит для защиты УТ от охлаждения, включая большую часть основания 4, внешнюю и внутреннюю (внутри основания) части трубопровода. На трубопроводе предусмотрены места подключения к регулируемой системе подачи теплоносителя - входной и выходной патрубки 8 в верхней и нижней частях трубопровода и выведены на внешнюю поверхность кожуха 7 (могут быть установлены в основании или в кожухе УТ). Между основанием 4 и кожухом 7 проложен теплоизоляционный материал 9. На верхней и нижней поверхностях кожуха 7 выполнены вентиляционные отверстия 10. Над трубопроводом 5 в выходной торцевой части корпуса установлен съемный в данной реализации ТГ газодымный рассекатель 11, образованный кожухом рассекателя 11 и хотя бы двумя пластинами без перфорации, каждая из которых частично перекрывает выходное отверстие корпуса. Пластины расположены на разной высоте и частично перекрывают друг друга.
На кожухе УГ 2 имеются четыре газоуравнительных отверстия 13 (расположены в данном случае по два друг против друга на разной высоте) для предотвращения от перегрева на максимальных нагрузках и закручивания втягивающегося потока воздуха для лучшего горения при минимальных нагрузках.
УГ закреплено в кожухе 2, установленном на опору 14. В кожухе 2 установлено автоматическое запально-зажигающее устройство 15 для розжига УГ и выполнено смотровое отверстие 16. Последовательно установленные и закрепленные разъемными соединениями 17 кожух 2, основание 4 и рассекатель 11 образуют составной корпус ТГ.
В упомянутом канале УГ может быть предусмотрен топливный рассекатель 18. На основании УТ и рассекателе 11 могут быть предусмотрены петли 19 для их подъема и установки.
УФ - газовая часть, УТ - теплотехническая часть, рассекатель 11 дымовых газов - конвективная часть ТГ.
Детали и составные части ТГ изготавливают (резаньем, сваркой, сверлением) из металлических труб различного диаметра, листового металла. Тип, толщина материалов, разница диаметров заготовок для изготовления корпуса, УГ, трубопровода может быть различной в разных устройствах и определяется с учетом получения конкретных параметров установки, максимальной суммарной мощности системы, к которой подключают ТГ и т.п.
В данной реализации ТГ кожух УГ, основание УТ, кожух рассекателя 11 изготавливают в виде цилиндрических деталей с возможностью их разъемного соединения (фланцевым соединением). Диффузионно-инжекционное УГ, выполненное с возможностью подключения к системе подачи топлива, закрепляют в кожухе 2 с получением открытого кольцевого зазора. В данной реализации на чертеже показано УГ с одним каналом подачи топлива, в котором установлен топливный рассекатель. Полученную УФ устанавливают на стационарную либо съемную опору 14. Опора в данной реализации изобретения является регулируемой, выполнена в виде треноги и закреплена на УГ 1 (либо кожухе 2 для увеличения устойчивости). Универсальная опора позволяет устанавливать ТГ на любых поверхностях (на твердом грунте, бетонной плите, передвижной платформе). Трубопровод 5 выполняют многосекционным. Каждую секцию изготавливают из одинаковых отрезков труб, параллельно продетых в отверстия основания. Для образования единого внутреннего объема секции торцы параллельных труб соединяют двумя торцевыми трубами с отверстиями для соединяемых труб и заглушенными торцами. Секции расположены одна над другой перпендикулярно оси основания 4 и со сдвигом (либо поворотом) относительно друг друга для лучшего обтекания трубопровода дымовыми газами. Секции соединены между собой патрубками. Количество секций и труб в каждой секции зависит от выбора размеров основания и трубопровода. Изготавливают кожух УТ. Для этого, например, к основанию УТ вокруг выступающей за него части трубопровода крепят каркас. На верхней и нижней секциях (частях) трубопровода устанавливают патрубки 8, выступающие за пределы каркаса, для разъемного соединения с системой подачи/отвода теплоносителя. Заполняют каркас теплоизоляционным материалом, обшивают его листовым металлом. УТ устанавливают на УФ, закрепляют с помощью разъемного соединения 17 (без сварки). Аналогично на УТ крепят изготовленный съемный рассекатель 11.
ТГ может быть стационарным или передвижным. При малых размерах ТГ (для полезной утилизации небольшого количества газа) его газовую, теплотехническую и конвективную части могут доставлять с помощью передвижных средств на места установки и использования, где проводят окончательную сборку и подключение ТГ. Таким образом, при выходе из строя штатного оборудования (путевых подогревателей, печей нагрева нефти, паровых и водогрейных котлов и т.д.) ТГ может быть использован в качестве запасного оборудования, во избежание потерь на утилизацию ПНГ, срывов и сбоев подготовка нефти на установках подготовки и перекачки нефти (УППН), установках предварительного сброса воды (УПСВ), установках комплексной подготовки нефти (УКПН) и т.п. Для установки ТГ не требуется устройство фундаментов. Кроме того, ТГ может быть установлен и использован непосредственно на передвижных средствах (платформах, тележках и т.п.).
Описание работы
Собранный установленный на опору и подключенный к системам подачи топлива и подачи/отвода теплоносителя ТГ готов к работе. Открывают отключающее устройство на входе и выходе трубопровода. Начинают прокачку теплоносителя (рабочей среды - нефть, вода, соль вода, эмульсия), удалив воздушную пробку и контролируя давление теплоносителя на входе и выходе УТ. Постепенно открывая подачу топлива на УГ, производят его розжиг посредством автоматического запально-зажигающего устройства либо ручной запальной горелки. Способы розжига УГ диффузионно-инжекционного типа несколько различаются при различном количестве каналов подачи топлива, а также свойств топлива в этих каналах, известны, не относятся непосредственно к сущности предлагаемого технического решения, поэтому не описываются подробно в данной заявке. После воспламенения и установления устойчивого горения УГ поддержание горения запального устройства не требуется. Регулируя подачу топлива на УГ (с одним или более каналами подачи топлива), уменьшают или увеличивают нагрузку на УГ и ТГ в целом. При установившейся нагрузке ТГ переводят в автоматический режим. Рассекатель 11 и кожух УТ обеспечивают минимальные потери тепла и эффективную передачу тепла теплоносителю через стенки трубопровода, расположенного над пламенем УГ и нагреваемого дымовыми газами, а в некоторых случаях и пламенем. При недостаточной тяге открытой топки (корпуса) ТГ возможна установка дымовой трубы. Температура теплоносителя на входе УТ может быть от +5°C, а на выходе - до +90°C. Эту температуру могут регулировать в зависимости от условий установки ТГ - изменением скорости протекания теплоносителя и/или нагрузки на УГ.
УГ эффективно функционирует (без отрывов и проскоков пламени) при больших перепадах в системе подачи топлива. Поэтому при перепадах давления не требуется регулирование в системе подачи топлива (нерегулируемая система без газорегилирующих установок).
Для отключения ТГ постепенно уменьшают до полного прекращения подачу газа на УГ. После охлаждения трубопровода в теплотехнической части до 10-15°C отключают подачу теплоносителя.
При необходимости снимают рассекатель и УТ (либо УТ при выполнении стационарного рассекателя) и используют УФ для безопасной и экологичной утилизации ПНГ. При выходе из строя любой из частей ТГ замена этой части не требует больших усилий и затрат.
Несмотря на то, что конструкция теплогенератора универсального показана и описана на конкретном варианте 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 прилагаемой формулой изобретения.
В других реализациях ТГ его составные части могут быть изготовлены любым известным способом. В том числе между основанием 4, кожухом 3 и рассекателем 11 могут быть установлены дополнительные детали и устройства, не нарушающие открытость корпуса для бесперебойной работы УГ. Каждая из внешних частей трубопровода может быть закрыта отдельным кожухом. Кожухи могут быть выполнены съемными, а в местах их примыкания к корпусу (в зависимости от материала) может быть проложена теплоизоляция.
Кроме того, секции трубопровода могут быть выполнены в виде змеевика из прямых труб, соединенных дугообразными сегментами. Аналогично может быть выполнено соединение секций. Трубопровод может быть полностью закреплен внутри основания. В этом случае патрубки 8 устанавливают в основании и выводят за кожух 7. В основании может быть предусмотрено два трубопровода для подачи двух различных теплоносителей. Материал для теплоизоляции может быть сыпучим.
Рассекатель может состоять из одной детали с множеством форсуночных отверстий и быть стационарно установленным в выходной части корпуса (в верхней части основания УТ) над трубопроводом.
Кроме того, опора может состоять из двух независимых частей - для корпуса и УГ и т.п.
Предлагаемая конструкция ТГ обеспечивает:
- мобильность ТГ, сжатые сроки при монтаже (сборка по принципу LEGO) и обслуживании, не требует существенных материальных затрат при изготовлении и ремонте за счет выделения самостоятельных газовой и теплообменной, а также конвективной частей;
- быструю окупаемость затрат;
- возможность полезной утилизации высококалорийного, забалластированного азотом ПНГ или легких фракций любого состава с содержанием негорючих компонентов в ПНГ до 93% на нефтяных месторождениях с небольшими объемами добычи ПНГ;
- возможность одновременной утилизации ПНГ 1-й и 2-й ступеней сепарации при выборе двухканального УГ.
3
- возможность полезной утилизации ПНГ на нефтяных месторождениях с большими и малыми объемами добычи ПНГ от 20 до 100000 м/сут., при доведении ее уровня до 95% и выше;
- устойчивость к отрыву и проскоку пламени при резких колебаниях давления газа, расхода газа на входе в ТГ без установки газорегулирующих установок;
- возможность применения теплогенератора в качестве либо печи нагрева нефтяной эмульсии, нефти, воды, либо воздушного конвектора, либо котла-утилизатора для отопления/горячего водоснабжения, либо универсальной факельной установки.