Теплогенератор
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 (по патенту RU 2591759, выбран в качестве прототипа), содержащий металлический корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения. Корпус вертикальной части оснащен горелочным блоком, ниже которого расположены воздухозаборники, теплообменным блоком, блоком подачи воздуха. Теплообменный блок выполнен в виде змеевика для теплоносителя и кожуха. Змеевик установлен снаружи корпуса и закрыт упомянутым кожухом. Вгорелочномблоке использовано горелочное устройство диффузионно-инжекционного типа, установленное с возможностью перемещения вдоль оси корпуса посредством регулирующего механизма.
Его недостатками являются низкая тепловая мощность и низкий КПД, поскольку нагрев теплоносителя происходит через кожух горелочного блока, корпус теплогенератора, стенки змеевика; для увеличения мощности конструкция не позволяет установить более одного горелочного блока. Теплогенератор не позволяет производить разные виды теплоносителей: пар или жидкость. Для такой конструкции приемлемые значения КПД могут быть достигнуты в узком диапазоне сочетания параметров (геометрических, тепловых). Вместе с тем, разные производственные задачи, например, при добыче нефти требуют большой вариативности в типе теплоносителя (перегретый пар, жидкость), большого диапазона регулировки тепловой мощности теплогенератора с сохранением высокого КПД во всех режимах работы.
Технической задачей изобретения является создание универсального всепогодного теплогенератора, одинаково эффективного при работе в разных режимах. Техническим результатом является обеспечение высокого КПД в большом диапазоне рабочей тепловой мощности. Появляется возможность регулировать диапазон КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктов
Технический результат достигается в теплогенераторе, состоящем из основания, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус горизонтальной части и корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения, каждый из которых оснащен установленными последовательно: блоком подачи воздуха, горелочным блоком, теплообменным блоком. Теплообменный блок может быть выполнен в виде парогенератора. Внутри корпуса горизонтальной части установлен парогенератор, выполненный в виде змеевика. Выход для продуктов горения выполнен в виде корпуса дымовой трубы, установленного на корпусе вертикальной части, и снабженного блоками нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа. Между корпусами горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка. Горелочный блок горизонтальной части оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок вертикальной части оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой. Теплообменный блок выполнен в виде опоясывающей емкости, соединенной с расширителем, в которой расположен змеевик. В зоне выхода пламени из горелочного блока, установлен защитный экран, выполненный в виде цилиндрической трубы, с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности. Корпус вертикальной части снабжен воздухозаборником, расположенным ниже горелочного блока.
Изобретение поясняется рисунком: схема теплогенератора.
Теплогенератор состоит из основания 1, выполненного, например, в виде рамной металлической конструкции, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус 2 горизонтальной части и корпус 3 вертикальной части с выходом 4 для продуктов горения (с трубой 4). Указанные части выполняются в виде металлических секций, преимущественно осесимметричных (например, цилиндрических), которые соединяются между собой фланцевыми соединениями с помощью болтов (шпилек). Корпусы 2, 3 могут оснащаться наружными и/или внутренними теплоизоляционными слоями.
Выход 4 для продуктов горения может быть выполнен в виде корпуса 4 дымовой трубы, установленного на корпусе 3 вертикальной части, и снабженного блоками 13, 14 нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа.
Корпус 2 горизонтальной части и корпус 3 вертикальной части оснащены каждый установленными последовательно: блоком 5, 6 подачи воздуха, горелочным блоком 7, 8, теплообменным блоком 9, 10, соответственно. Последовательная установка указанных частей обеспечивает работоспособность теплогенератора и обеспечивает высокий КПД, как показано ниже.
Указанные корпусы 2, 3 могут оснащаться несколькими теплообменными блоками. На рисунке показаны дополнительные теплообменные блоки 11, 12. Теплообменные блоки 9, 10, 11, 12 могут иметь разную конструкцию, например, могут быть выполнены в виде парогенераторов. Так, внутри корпуса 2 горизонтальной части может быть установлен парогенератор 12, выполненный в виде змеевика. Иначе, теплообменный блок 11 может быть выполнен в виде опоясывающей корпус емкости, в которой расположен змеевик 18, соединенный через циркуляционный насос 20 с расширителем 19.
Теплообменные блоки 9, 10, 11, имеющие опоясывающие емкости, заполненные жидкими теплоносителями, выступающих в качестве промежуточных теплоносителей 25 (вода, тосол, антифриз). Их змеевики 18, 21 заполнены нагреваемыми продуктами (нагреваемыми жидкостями, в качестве которых могут использоваться вода, нефть, водонефтяная эмульсия) и соединены с необходимой технологической обвязкой 22.
Между корпусами 2, 3 горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка 15 в виде шибера, которая может отсекать корпус 2 горизонтальной части 16 для работы одной вертикальной части 17.
Горелочный блок 7 горизонтальной части 16 оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок 8 вертикальной части 17 оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой. Горелочные блоки 7, 8 оснащаются системами розжига и контроля пламени, запальными устройствами, датчиками 24 контроля пламени, тяги, температуры дымовых газов.
Корпус 2 горизонтальной части, выполненный в виде металлических секций, расположенных горизонтально (продольная ось находится в положении , близком к горизонтальному) с установленными последовательно блоком 5 подачи воздуха, горелочным блоком 7, оснащенным горизонтальной газонефтяной горелкой, опоясывающей емкостью теплообменного блока 9, образуют горизонтальную часть 16 теплогенератора. Аналогично, корпус 3 вертикальной части, с корпусом 4 дымовой трубы, выполненные в виде металлических секций, расположенных вертикально (продольная ось находится в положении , близком к вертикальному) с установленными последовательно блоком 6 подачи воздуха, горелочным блоком 8, оснащенным горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой, опоясывающей емкостью теплообменного блока 10, образуют вертикальную часть 17 теплогенератора.
Корпус 3 вертикальной части снабжен воздухозаборником 23, расположенным ниже горелочного блока 8. Таким образом, обеспечивается подача воздуха за счет естественной тяги, обеспечиваемой вертикальным расположением корпуса 3.
Кроме того, блоки 5, 6 подачи воздуха могут оснащаться вентиляторами для принудительной подачи воздуха. Это позволяет увеличить расход газа, повысить качество газовоздушной смеси, обеспечивает работу с более высоким КПД, позволяет протолкнуть дымовые газы, если не хватает естественной тяги.
В зоне выхода пламени из горелочного блока 8 может быть установлен защитный экран 26, выполненный в виде цилиндрической трубы из жаропрочной нержавеющей стали. Его длина зависит от высоты (длины) пламени, он предназначен для защиты корпуса 3 вертикальной части от перегрева, прогара и устанавливается в зоне выхода пламени от горелки, таким образом, перекрывает зону повышенной тепловой нагрузки и повышает надежность работы и продлевает срок эксплуатации. Заменить защитный экран 26 в случае прогара проще, чем заменить прогоревший корпус 3 вертикальной части. Защитный экран 26 дополнительно выполняется с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности, например в виде термостойкого лака, в виде керамического огнеупорного волокна (в виде матов, блоков, крепиться на специальные крепления, посадочные места, может применяться совместно с термостойким клеем).
Теплогенератор может оснащаться набором различных датчиков 24, обеспечивающих контроль всех параметров и позволяющих автоматизировать управление блоками 5, 6 подачи воздуха, горелочными блоками 7, 8, теплообменными блоком 9, 10, меняя режимы их работы. В числе таких датчиков могут использоваться: датчики контроля работы оборудования; датчики температуры дымовых газов; датчики температуры корпусов; датчики загазованности; датчики тяги; датчики СО, О2, NO2, СО2 в дымовых газах; датчики температуры нагреваемого продукта на входе и выходе змеевиков теплообменных блоков; датчики давления нагреваемого продукта на входе и выходе змеевиков теплообменных блоков; датчики температуры промежуточных теплоносителей; датчики уровня промежуточного теплоносителя; датчики протока через змеевики теплообменных блоков и пр.
Теплогенератор работает следующим образом.
Топливный газ при различных давлениях (от 0,01 до 3 кгс/см2) и расходах от источников снабжения по направлениям «линия газа 1», «линия газа 2», проходя через блоки 5, 6 подачи воздуха поступает в горелочные блоки 7, 8 соответственно, где, благодаря естественной тяге или с принудительной подачей воздуха происходит образование газовоздушной смеси, обеспечивающей эффективное и бездымное горение. Тепло через промежуточный теплоноситель 25 передается нагреваемым продуктам в змеевиках 18, 21, например, в диапазоне от +5 до +90 С°. Генерация и подача пара происходит в парогенераторе 12.
Нагретые продукты сгорания, проходя по горизонтальной части 16 отдают тепло расположенным последовательно по ходу теплообменным блокам 9-12, работа которых регулируется раздельно. Вертикальная часть 17 при этом обеспечивает сильную тягу, не препятствуя выходу дымовых газов. При необходимости, включается горелочный блок 8 вертикальной части 17, повышая общую тепловую производительность.
Примеры режимы работы оборудования:
1. Режим утилизации - режим низкого КПД теплогенератора (1-10%) при большом расходе газа (когда не требуется значительный нагрев среды, а объем подаваемого топливного газа, а значит и тепловая мощность оборудования намного больше, чем требуется технологически). В работе находится вертикальная часть 17 теплогенератора. Горизонтальная часть 16 - отсечена регулируемой заслонкой 15.
2. Режим эффективного использования топливного газа - режим работы оборудования на высоком, максимальном КПД (70% и более). В работе горизонтальная и вертикальная часть 16, 17 - задействованы все теплообменные блоки. Режим, при котором оборудование максимально нагревает среды для технологических нужд без переизбытка расхода газа. При данном режиме, за счет геометрии теплогенератора и последовательного прохождения дымовыми газами всех узлов, наиболее эффективно происходит теплосъем для нагрева сред и охлаждение дымовых газов, что невозможно при работе только вертикальной или горизонтальной частей 16, 17. Работающие блоки 6 подачи воздуха и горелочный блок 8 вертикальной части 17 подхватывают и ускоряют поток дымовых газов, выходящих из горизонтальной части 16. Появляется возможность регулировать раздельно параметры работы горизонтальной и вертикальной частей 16, 17 (расход газа, КПД, температуру нагреваемых продуктов в разных теплообменных блоках).
3. Смешанный режим - режим работы оборудования при КПД 30-50%. Режим, при котором может быть в работе как горизонтальная или вертикальная часть, как совместно, так и раздельно. Т.е. когда оборудование частично загружено от своей номинальной тепловой мощности, или часть теплообменных устройств не задействовано.
Таким образом использование описанной конструкции позволяет обеспечить высокий КПД теплогенератора в большом диапазоне рабочей тепловой мощности. Появляется возможность регулировать диапазон КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктов