ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER

Изобретение относится к горелкам без предварительного смешивания, в которых газообразное топливо смешивается с воздухом при поступлении в зону горения, с раздельными параллельно идущими каналами для подачи воздуха и газообразного топлива, и может применяться, например, для сжигания попутного нефтяного газа на нефтегазовых месторождениях и нефтепроводах.
Из уровня техники известен оголовок факельной установки (RU 139002 U1, МПК F23D 14/20, опубл. 27.03.2014). Оголовок содержит факельный ствол с фланцем, конфузор, смеситель и стабилизатор пламени. При этом смеситель факельной установки соединен с фланцем факельного ствола посредством трех одинаковых вертикально ориентированных опор, каждая из которых выполнена в виде двух подвижных относительно друг друга пластин. Недостатком известного оголовка является то, что он
предназначен для сжигания только одного вида топлива - попутного нефтяного газа с большим содержанием азота и не предназначен для сжигания одновременно двух видов топлив, характеризующихся разным химическим составом.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана корпусная газовая горелка (RU 2120084 C1, МПК F23D 14/20, опубл. 10.10.1998). Горелка содержит две коаксиально расположенные центральную и внешнюю газовые камеры, выполненные с возможностью подачи в них газов с разным химическим составом. Газовые камеры снабжены газовыпускными радиальными и осевыми соплами, при этом газовыпускные сопла центральной и внешней газовых камер расположены в радиальной плоскости горелки друг относительно друга на катетах прямоугольного треугольника, стороны которого образованы боковой поверхностью корпуса одной газовой камеры и фронтальной поверхностью корпуса второй газовой камеры.
Недостатком газовой горелки является отсутствие в ее конструкций узла, обеспечивающего регулирование интенсивности подачи воздуха в зону горения, что снижает возможности устройства по регулированию параметров факела.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение сжигания с помощью горелочного устройства двух видов топлива с возможностью регулирования интенсивности подачи воздуха в зону горения и контролем давления в газовых камерах горелки.
Указанная задача решена тем, что горелочное устройство содержит первую и вторую газовые камеры, при этом основой устройства является цилиндрический корпус с переменным диаметром, выполненный двухступенчатым; первая ступень цилиндрического корпуса имеет больший диаметр, по сравнению со второй ступенью, на боковой поверхности первой ступени закреплены первый и второй патрубки, сообщающиеся с внутренней полостью корпуса, образующей первую газовую камеру, а на конце второй ступени цилиндрического корпуса выполнены сквозные отверстия. Первый патрубок снабжен первым краном и выполнен с возможностью подключения к нему первой газовой линии, а второй патрубок выполнен с возможностью подключения к нему первого манометра. Внутри цилиндрического корпуса и соосно ему закреплена труба, внутренняя полость которой образует вторую газовую камеру; первый конец трубы выведен за пределы первой ступени цилиндрического корпуса, снабжен вторым краном и выполнен с возможностью подключения к нему второй газовой линии, при этом на боковой поверхности первого конца трубы закреплен третий патрубок, сообщающийся со второй газовой камерой, выполненный с возможностью подключения к нему второго манометра, а второй конец упомянутой трубы выведен в топочное пространство газопотребляющего оборудования. На внешней поверхности второй ступени корпуса закреплена заслонка и подвижно с натягом установлен кожух, содержащий внутренний и внешний каналы подачи воздуха в зону горения.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков изобретения, является повышение эффективности сжигания попутного нефтяного газа на нефтегазовых месторождениях и нефтепроводах, за счет применения в конструкции горелки двух газовых камер, обеспечивающих возможность одновременного сжигания в факеле газовых смесей, характеризующихся различными составами, и корпуса с переменным диаметром, обеспечивающим увеличение тяги во второй ступени цилиндрического корпуса при одинаковом давлении в первой и второй газовых линиях за счет эффекта Вентури. Последнее позволяет подавать по первой газовой линии в горелку природный газ, содержащий меньшее количество примесей, что в итоге обеспечивает лучшее дожигание газовой смеси, образующейся на выходе первой и второй газовых камер.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен внешний вид горелочного устройства в разрезе в изометрической проекции; на фиг. 2 приведен вид сбоку горелочного устройства в разрезе.
Горелочное устройство имеет следующую конструкцию.
Его основой является цилиндрический корпус с переменным диаметром, выполненный двухступенчатым, при этом первая 1 ступень корпуса имеет больший диаметр, по сравнению со второй 2 ступенью. На боковой поверхности первой 1 ступени закреплены первый 3 и второй 4 патрубки, сообщающиеся с внутренней полостью 5 корпуса 1, образующей первую газовую камеру, а на конце второй 2 ступени цилиндрического корпуса выполнены сквозные отверстия 6. Первый 3 патрубок снабжен первым 7 краном и выполнен с возможностью подключения к нему первой газовой линии, а второй 4 патрубок выполнен с возможностью подключения к нему первого 8 манометра. Внутри цилиндрического корпуса и соосно ему закреплена труба 9, внутренняя полость 10 которой образует вторую газовую камеру; первый конец трубы 9 выведен за пределы первой ступени 1 цилиндрического корпуса, снабжен вторым 11 краном и выполнен с возможностью подключения к нему второй газовой линии, при этом на боковой поверхности первого конца трубы 9 закреплен третий 12 патрубок, сообщающийся со второй газовой камерой, выполненный с возможностью подключения к нему второго 13 манометра, а второй конец упомянутой трубы 9 выведен в топочное пространство газопотребляющего оборудования. На внешней поверхности второй 2 ступени корпуса закреплена заслонка 14 и подвижно с натягом установлен кожух 15, содержащий внутренний 16 и внешний 17 каналы подачи воздуха в зону горения.
Горелочное устройство может быть выполнено с возможностью подключения его к системе автоматического управления горением. Автоматическая система управления горением в этом случае, предпочтительно, представляет собой промышленный контроллер, содержащий микропроцессорное ядро, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем, линии которого являются аналоговыми измерительными входами системы, и универсальными двунаправленными GPIO-портами ввода-вывода, подключенными к релейным силовым выходам автоматизированной системы управления горением.
В случае применения для управления горением автоматической системы/структура которой рассмотрена выше, первый 7 и второй 11 краны выполняют электромеханическими, а в качестве манометров 8 и 13 применяют цифровые приборы измерения давления, при этом силовые выходы автоматизированной системы подключают к электромеханическим кранам, а к измерительным входам системы подключают выходы цифровых приборов измерения давления. При выполнении горелочного устройства с ручным управлением в качестве первого 7 и второго 11 кранов применяют ручные шаровые краны, а в качестве манометров 8 и 13 применяют стрелочные приборы.
Дополнительно на конце трубы 9 могут быть закреплены узел автоматического поджига, а также датчики вредных газов, например монооксида углерода и/или азота, выходы которых подключены к измерительным входам автоматической системы управления горением. Упомянутые датчики могут использоваться в качестве элементов отрицательной обратной связи для реализации алгоритмов автоматического управления факелом горелки.
Горелочное устройство работает следующим образом.
Первоначально горелочное устройство устанавливают горизонтально в топочном пространстве газопотребляющего оборудования. При этом предварительно изготавливают цилиндрический корпус, устанавливают в нем трубу 9, закрепляют сварочным соединением ее второй конец во второй 2 ступени цилиндрического корпуса, при этом первый конец трубы 9 оказывается выведенным за пределы первой ступени 1 цилиндрического корпуса, после чего к корпусу приваривают днище, герметизируя его. Далее на вторую 2 ступень цилиндрического корпуса посредством муфты 18 с натягом устанавливают кожух 15, закрепленный на муфте с помощью ребер 19.
Затем к первой и второй газовым камерам горелочного устройства подключают газовые линии, по которым подают газ первого (газ 1 на фиг. 2) и второго (газ 2 на фиг. 2) типов, при этом в первую камеру, образованную полостью 5, целесообразно подавать топливо более высокого качества, а во вторую камеру, образованную внутренней полостью 10 трубы 9, может подаваться попутный нефтяной газ, содержащий большое количество примесей азота. Далее, с помощью рукоятей, закрепленных на внешней поверхности кожуха 15 (на фигурах условно не показаны), сдвигают кожух 15 вдоль второй 2 ступени цилиндрического корпуса, регулируя зазор между нижним торцом кожуха 15 и заслонкой 14, задавая тем самым требуемую интенсивность подачи воздуха по каналу 16 в зону горения.
Затем, в случае применения автоматической системы управления горением, активируют управляющую программу системы, а в случае применения ручного управления горел очным устройством краны 7 и 11 открывают вручную и, ориентируясь на показания манометров, регулируют интенсивность подачи топлива в газовые камеры.
В случае применения автоматической системы управления горением поджиг газа осуществляется автоматически, а управление его подачей выполняется на основе показаний цифровых приборов измерения давления и газовых датчиков. В ручном режиме работы поджиг выполняют в ручном или полуавтоматическом режиме, используя для этого, например, устройство дистанционного поджига газа, а управление горелкой осуществляется оператором на основе визуального контроля факела и показаний манометров.
При горении газ первого типа, поступающий в зону горения по внутренней полости второй 2 ступени цилиндрического корпуса через отверстия 6, смешивается с газом второго типа, поступающим по каналу 10, и воздухом, поступающим по внутреннему 16 и внешнему 17 каналам подачи воздуха, и сгорает в растянутом диффузионном факеле. При этом за счет применения подвижного кожуха 15, заслонки 14, кранов 7, 11 и компоновки первой и второй газовых камер обеспечиваются высокие пределы регулирования работы устройства, в том числе, за счет исключения проскока пламени внутрь горелки. Конструкция устройства обеспечивает температуру подогрева газа и воздуха, подаваемых через горелку, в пределах от 800 до 2000°С вследствие того, что температура факела ограничивается только стойкостью корпуса, трубы 9 и кожуха 15 горелки.
Для повышения интенсивности горения в конструкции кожуха горелки может быть предусмотрен дополнительный входной патрубок, устанавливаемый по касательной к внешней цилиндрической поверхности кожуха (на фигурах условно не показан) с образованием дополнительного канала 20, при подаче воздуха через который обеспечивается турбулентное течение воздушной среды и улучшение перемешивания газовоздушной смеси в зоне горения факела. Дополнительно повышение эффективности сжигания газа может достигаться за счет подключения горелки к системе автоматического управления горением.
Таким образом, рассмотренное в настоящей заявке техническое решение, является высокотехнологичным горелочным устройством, обеспечивающим повышение эффективности сжигания газа, в том числе попутного нефтяного газа, и может найти применение в конструкции теплогенераторов различного назначения или путевых подогревателей нефти.