УНИВЕРСАЛЬНАЯ ФАКЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
UNIVERSAL FLARE FACILITY

Предлагаемое техническое решение относится к газогорелочным устройствам и может применяться для сжигания различных видов топлива, в том числе попутных нефтяных газов (ПНГ) любой степени насыщенности по содержанию азота и других негорючих газов (I, II ступеней сепарации), легких фракций нефти непосредственно на месторождениях нефти/газа, где не требуется использование ПНГ в производственном цикле либо невозможна его утилизация другими способами.
В настоящее время для сжигания на факелах негорючий ПНГ предварительно смешивают 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). Для уменьшения объемов вредных выбросов используют различные конструкции факельных установок.
Известна факельная горелка (патент №2477423, опубл. 10.03.2013, ООО ФПК «Космос-Нефть-Газ», г.Воронеж), включающая корпус в виде трубы, с профильным рассекателем в выходной части для образования струйных потоков газа, а также расположенные внутри трубы дополнительный рассекатель и профилированные тела для предварительного рассекания потока газа с получением желаемых скорости и давления на выходе, за счет чего достигают улучшенного прогорания ПНГ при подаче газа определенного давления. При изменении давления газа, подаваемого на горелку, для сохранения эффективности ее работы требуется изменение формы дополнительного рассекателя, достигаемого его заменой, что достаточно трудоемко в полевых условиях. Конструкция не обеспечивает стабильной работы при перепадах давления: возможны проскоки либо отрывы пламени, приводящие к аварийным ситуациям либо затуханию пламени с выбросом вредных веществ в атмосферу.
Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является оголовок факельной установки для бездымного сжигания газа (патент №36876, опубл. 27.03.2004, Л.Н. Парфенов), содержащей корпус из основания и кожуха (расширение верхней части корпуса) и внутреннюю трубу, закрепленную с возможностью перемещения вдоль оси подачи газа в нижней части корпуса пружинным соединением. Вокруг средней части трубы закреплена заглушка в виде перевернутого стакана с перфорированной боковой поверхностью, предотвращающая выход газа через кольцевое отверстие основания при потоке газа под низким давлением. Горение поддерживается только за счет центрального потока газа и проходит при низких температурах, что приводит к образованию токсичных соединений. При повышении давления заглушка с трубой поднимается, открывая выход кольцевому потоку газа из основания и струйным потокам газа через отверстия стакана (образует с основанием подвижный оголовок). Кожух при этом образует вокруг оголовка кольцевой зазор, закрытый снизу. Эффективная работа горелки при низком давлении возможна лишь при наличии множества внутренних труб, что многократно увеличивает сложность конструкции. Однако и в этом случае нет достаточного притока воздуха в верхнюю часть корпуса для эффективного сжигания газа. Кроме того, при резком снижении давления также возможны проскоки пламени.
Задачей предлагаемой конструкции универсальной факельной установки является возможность максимально эффективного (сводящего к минимуму выбросы вредных веществ в атмосферу) сжигания газа любого состава, в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с высоким содержанием азота (от 80% и более) - без добавления горючего газа, при «плавающих» давлении и расходе на входе установки без проскоков и отрывов пламени. Это позволит существенно экономить топливо высокого качества - природный или сжиженный газ, исключить аварийные ситуации.
Сущность изобретения
Для решения задачи служит универсальная факельная установка, содержащая выполненные практически цилиндрическими и расположенные практически соосно основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка. При этом оголовок и основание выполнены в виде единой детали трубопровода. Внутренний диаметр оголовка больше внутреннего диаметра основания, а в верхней части основания установлен первый (внутренний) рассекатель с его форсуночными отверстиями для разделения потока топлива на струи (пластинчатый в данной реализации либо конусообразный сферический и т.п.).
Второй (внешний) рассекатель выполнен в виде диска с хотя бы четырьмя форсуночными отверстиями, одно из которых расположено в центре диска и является выходом газоуравнительной трубки, установленной внутрь оголовка с образованием в нем кольцевого торцевого отверстия (остальные отверстия расположены, например, равномерно по окружности, диаметр которой меньше внутреннего диаметра оголовка или другим образом). Второй рассекатель установлен подвижно вдоль оси трубопровода и образует с торцом оголовка торцевую щель, почти закрывая торцевое кольцевое отверстие оголовка (трубопровода) при низком давлении топлива в трубопроводе, размер (высота) которой увеличивается за счет поднятия рассекателя над торцом оголовка при возрастании давления топлива, кольцевой поток газа через щель возрастает.
Кожух, установленный с образованием сквозного (открытого снизу и сверху) кольцевого объема, обеспечивает постоянный естественный приток воздуха для поддержания пламени, выполняет теплозащитную функцию, долго сохраняя высокую температуру разогретого пламенем оголовка для лучшего сгорания ПНГ и в случае понижения давления, а также служит защитой пламени от жестких погодных условий.
Рассекатели установлены практически соосно с трубопроводом. Установка выполнена с возможностью подачи топлива (газообразного или легких фракций нефти).
Целесообразно, чтобы нижняя часть оголовка была плавно заужена для соединения с основанием и образовывала диффузор оголовка над первым рассекателем, при этом нижняя часть кожуха заужена соответственно и образует диффузор кожуха.
Целесообразно, чтобы в средней части кожуха были выполнены хотя бы два отверстия, расположенные по окружности кожуха, предпочтительно на разной высоте. Это позволит охлаждать кожух при работе установки на максимальных нагрузках.
Целесообразно, чтобы в торце оголовка было выполнено хотя бы четыре фронтальных форсуночных отверстия (диаметром не менее восьми миллиметров) вокруг торцевого кольцевого отверстия.
Предложенная факельная установка имеет простую конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении.
Далее осуществление и работа универсальной факельной установки будут показаны в предпочтительном варианте исполнения.
На фиг.1 изображена универсальная факельная установка, продольный разрез;
на фиг.2 - вид А на фиг.1;
на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.
Универсальная факельная установка (УФУ), изображенная на фиг.1, содержит трубопровод из основания 1 и оголовка 2 с диффузором оголовка 3, конически сужающимся к основанию, кожух 4 с сужающимся к нижнему торцу диффузором кожуха 5, первый рассекатель 6 внутри трубопровода между полостью основания и полостью оголовка с множеством его форсуночных отверстий 7, а также второй рассекатель, выполненный из диска 8 и газоуравнительной трубки 9, торцевой выход которой совпадает с центральным форсуночным отверстием 10 второго рассекателя, остальные шесть его форсуночных отверстий 11 (всего семь в данной реализации) расположены на диске равномерно. На боковой поверхности оголовка выполнена перфорация - множество боковых форсуночных отверстий 12 оголовка (в данной реализации - на верхней и средней частях оголовка над диффузором 3), а на кольцевой детали, частично закрывающей торцевое кольцевое отверстие 13 оголовка, выполнено более четырех фронтальных форсуночных отверстий 14 оголовка (например, шесть). Кожух жестко закреплен на оголовке штыревыми соединителями, для подключения установки к системе подачи газа или легких фракций нефти использовано фланцевое соединение.
Эффективность работы не уменьшается при небольших размерах УФУ, когда отсутствуют отверстия 14 в торце оголовка, выполненные для дополнительного рассеивания кольцевого потока.
Второй рассекатель соосно подвижно закреплен на кольцевой детали оголовка (либо к выступам на боковой поверхности оголовка и т.п.) стержневыми соединителями с верхними и нижними ограничителями (показано условно) для перемещения второго рассекателя вдоль оси оголовка. Диск рассекателя находится над торцевым отверстием оголовка. В нижнем положении нижняя поверхность рассекателя (нижняя поверхность диска) и торец оголовка образуют узкую (по высоте нижних ограничителей) торцевую щель, максимально раскрывающуюся в верхнем положении под напором газа. Стержни продеты сквозь специальные отверстия рассекателя, диаметр которых предусматривает подвижность рассекателя в нагретом состоянии. Возможность поднятия рассекателя при повышении давления топлива в трубопроводе может быть обеспечена другими известными соединениями (например, пружинным). При этом торцевая щель может быть образована также боковыми внутренней и внешней поверхностями головка и рассекателя соответственно, когда диаметр диска меньше внутреннего диаметра оголовка.
Детали изготавливают (резаньем, сваркой, сгибанием, сверлением - сквозных форсуночных отверстий) из металлических труб различного диаметра и листового металла. Тип, толщина материалов, разница диаметров заготовок для изготовления оголовка, основания, кожуха может быть различной в разных устройствах, и определяется с учетом получения конкретных параметров установки, максимальной суммарной мощности системы, к которой подключают УФУ и т.п.
Описание работы. Горелку подключают к системе сброса ПНГ различной насыщенности, поступающего в систему от устройств добычи, подготовки или переработки нефти (установок подготовки нефти - УПН, установок предварительного сбора воды - УПСВ, центральной перерабатывающей станции - ЦПС и т.п.). Открывают доступ ПНГ на УФУ. Розжиг установки производят либо вручную от запальной горелки, либо от дежурной горелки (небольшой горелки, конструкция которой может быть аналогична описываемой), либо электророзжигом.
2
2
2
Проходя через множество форсуночных отверстий первого рассекателя, струи газа незначительно замедляют скорость в более широком по сравнению с основанием оголовке и, встречая на своем пути сопротивление выступа второго рассекателя (газоуравнительной трубки) и отверстия 14 в торце оголовка, закручиваются. В результате происходит оттеснение и разделение ПНГ на тяжелые газы (пропан, бутан, пентан, этан) и более легкие газы (азот, гелий, метан). Легкие газы первыми выходят через отверстия 14, 13 в торцевую щель и отверстия 11, увлекаются естественным потоком воздуха между кожухом и оголовком. Азот и гелий не участвуют в горении и уходят в атмосферу, а вслед за ними выходит горючий метан. Оттесненные более тяжелые газы из состава ПНГ выходят через боковые отверстия 12 и газоуравнительную трубку рассекателя. Теплота их сгорания больше теплоты сгорания легких газов, в результате чего оголовок сильно разогревается по всей длине, улучшая эффективность горения ПНГ любого состава. Единое ядро пламени образуется по всей длине оголовка (где выполнена перфорация) и выше него - из пламени зажженных легких газов и кольцевого и центрального пламени зажженных тяжелых газов. При этом кожух, выполняющий защитную роль (роль топки) и обеспечивающий постоянный естественный приток воздуха, нагревается кольцевым пламенем и стабилизирует горение, также улучшая сгорание ПНГ по всей окружности факельного оголовка (в том числе в верхней части оголовка и над ним), исключая отрывы пламени. При повышении давления в системе (в том числе резком, возникающем при аварийных сбросах) второй рассекатель поднимается, кольцевой поток газа через увеличивающуюся в размере торцевую щель возрастает, потоки газов рассеиваются по всем боковым, кольцевому и фронтальным отверстиям оголовка и второго рассекателя, одновременно направляясь потоком воздуха по радиальному зазору. Длина пламени увеличивается при обеспечении эффективности сгорания газов и исключении отрыва пламени за счет направленного потока воздуха, кольцевого пламени по всей окружности факельного оголовка по всей длине перфорации, кольцевого пламени из торцевой щели, струйных потоков через отверстия 11. Исключается отрыв пламени даже при повышении давления до 5 кг/см. При уменьшении давления газа (постепенном или резком до 0,05 кг/см) пламя может уменьшаться до такой величины, при которой втягивается в нижнюю часть оголовка (топочную камеру оголовка), где продолжается горение за счет струйного рассеивания внутренним рассекателем, высокой температуры нагретого оголовка и защищенности от ветра. В данной реализации горение поддерживается в полости диффузора оголовка - без боковых отверстий. Внутренний рассекатель препятствует проскоку пламени вниз, внутрь основания, даже при очень низком давлении в трубопроводе (до 0,01 кг/см). Эффективность сгорания топлива достигается данной конструкцией УФУ за счет разогрева оголовка до высоких температур (до 1000°C) даже при малом расходе и давлении в трубопроводе.
Таким образом, работа УФУ не нарушается при различном составе, давлении, расходе топлива в трубопроводе. При прекращении подачи топлива УФУ прекращает работу. Возобновление работы возможно при подаче топлива в трубопровод посредством розжига (как описано выше) либо самостоятельным возгоранием пламени за счет высокой температуры в полости оголовка (выполняет роль стабилизатора пламени), которая длительно удерживается за счет кожуха и практически закрытого внешним рассекателем торцевого отверстия. Таким образом, достигается дополнительный технический эффект саморозжига УФУ за счет теплозащитного кожуха. Это позволяет поддерживать дежурную горелку в рабочем состоянии лишь при длительных перерывах подачи топлива на УФУ.
В средней и/или верхней части по окружности боковой поверхности кожуха выполнены как минимум два отверстия (не показаны) для дополнительного притока воздуха (помимо основного потока) в радиальный зазор. В данной реализации четыре отверстия выполнены двумя группами (по два вертикально расположенных отверстия в группе). Группы могут располагаться по окружности кожуха напротив друг друга на одном уровне либо одна выше другой, при этом дополнительные спиральные потоки воздуха между кожухом и оголовком через отверстия помогают охлаждать кожух на максимальных нагрузках работы УФУ. Это позволяет снизить стоимость изделия, изготавливая из жаропрочных материалов только трубопровод и рассекатели.
Отверстия 12 могут быть выполнены по всей длине оголовка. Верхняя часть основания может быть шире его нижней части, что обеспечивает дополнительное ускорение топлива перед внутренним рассекателем.
3
Проведение испытаний УФУ позволило довести количество ПНГ, проходящего через оголовок диаметром 200 мм, до 35000-50000 м/сут. Для увеличения пропускной способности УФУ требуется увеличение диаметра оголовка, форсуночной горелки (центрального отверстия второго рассекателя) и боковых отверстий оголовка.
Таким образом, конструкция УФУ обеспечивает безаварийную устойчивую работу УФУ (без проскоков и отрывов пламени) ПНГ любого состава (в том числе забалластированного) даже при резких перепадах давления, расхода и компонентного состава газа в системе. Обеспечивается полное сгорание ПНГ без выброса токсичных соединений в атмосферу без использования природного газа.