Установка для утилизации горючих газов
COMBUSTION GAS UTILISATION UNIT

Изобретение относится к способам и устройствам для утилизации сбросных горючих газов и может быть использовано в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и химической промышленности.
Известны факельные установки (см. И.И. Стрижевский, А.И. Эльнатанов «Факельные установки» / Москва, Изд-во «Химия», 1979г. стр. 132-140). Известна технология утилизации нетоксичных газов путем их распыления в атмосферу, через предохранительные клапана. При этом поддерживают периодическую подачу, через определенный промежуток времени или аварийный сброс. Основным конструктивным элементов является факельная труба, осевой канал которой через патрубок подводящего газопровода связывается с технологическим оборудованием, например, газовыми сепараторами. При этом отмечается, что наибольшую опасность представляет несанкционированное воспламенение газовой струи от оборудования с огневым подогревателем. Однако известны случаи воспламенения газовой струи от электрического разряда молнии, даже при наличии грозовой защиты – громоотводов, что требует вмешательство оператора, для прекращения подачи горючего газа в факельную трубу, за счет перекрытия соответствующих задвижек. Это требует больших затрат рабочего времени, продувкой инертным газом и последующим повторением процесса подачи горючего газа в факельную трубу.
На странице 133 источника информации (см. И.И. Стрижевский, А.И. Эльнатанов «Факельные установки» / Москва, Изд-во «Химия», 1979г. стр. 132-140), представлен график распространения турбулентной струи этилена. Из графика видно, что высота подъема струи газа находится по значению намного выше, чем высота любого громоотвода. Размеры зоны воспламенения зависят только от диаметра выходного отверстия на конце факельной трубы. Для воспламенения струи газа необходимо иметь большую энергию поджигания, которой обладает заряд молнии. Заряд молнии обладает достаточно большой энергией, чтобы обеспечить воспламенение выходящей из факельной трубы струи горючего газа.
Известно газогорелочное устройство (патент РФ № 2315237, МПК F23D 14/20, опубл. 20.01.2008 г). Устройство предназначено для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин. Факельная горелка состоит из корпуса, с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса рассекателя в виде тела Коанда, размещенным с зазором относительно верхнего торца корпуса. В трубе установлена отсасывающая трубка, в месте выполнения отверстия. Участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля. Верхний конец отсасывающей трубки расположен на выходе из сопла Лаваля, а нижний конец размещен в боковой стенке трубы горелки и открывается в кольцевой зазор между корпусом и трубой, отверстия расположены в районе расположения нижнего конца отсасывающей трубки. Имеется также сепаратор в осевом канале корпуса, выполненном в виде шнека. Для снижения гидравлического сопротивления потоку отсасывающая трубка выполнена с постоянным проходным сечением канала.
Работа горелки.
Газ от промысловых сепараторов подается на вход в трубу и в районе установки нижнего конца отсасывающей трубки, приобретает вращательное движение. За счет этого и разницы плотностей конденсата и газа, конденсат отбрасывается на стенку трубы и стекает вниз. После сепараторации в смеси в трубе организуется два потока. Поток газа поступает к соплу Лаваля, а второй поток, через отверстия в трубе – в кольцевой зазор между корпусом и трубой. При выходе из щелевых отверстий газ с конденсатом вращаются совместно и распределяются между отсасывающей трубой и кольцевым зазором между корпусом и трубой. Это приводит к отделению конденсата от газа, за счет различной плотности и различной скорости движения. Конденсат стекает в зону размещения нижнего конца отсасывающей трубы, а газ поступает к кольцевому зазору между корпусом и рассекателем. Очищенный поток газа при выходе из кольцевого зазора при существовании эффекта Коанда прижимается к поверхности рассекателя, с созданием зоны пониженного давления, в которую всасывается воздух. Это приводит к смешиванию потоков и их движению в направлении конического участка рассекателя, к выходу первого потока газа.
При выходе потока газа из сопла Лаваля происходит подсос конденсата, за счет того, что оставшийся поток конденсата подается к выходной части сопла, с повышением турбулентности и скорости на выходе из сопла, с дроблением капель. Затем происходит перемешивание с первым потоком газа и вторым газовоздушным потоком. Такая смесь бездымно сгорает, что снижает содержанием вредных примесей в продуктах горения.
К недостаткам конструкции можно отнести следующее:
- при малых расходах горючего газа, поступающего от технологических установок, такое устройство не работает, поскольку из практики известно, что сопло Лаваля эффективно только при больших скоростях газового потока:
- эффективность работы вихревого шнекового сепаратора также напрямую зависит от скорости потока газожидкостной смеси, т.е. процесс возможен при большом расходе газа;
- остановить процесс сжигания на факельной установке можно только после перекрытия задвижек на подающих трубопроводах;
- при малых расходах горючего газа, процесс горения может быть прекращен, с выбросом в атмосферу.
Известна система управления для автоматического поддержания бездымного факела (патент США № 3782880, МПК F23G 7/08, опубл. 01.01.1974 г.) Установка предназначена для сжигания горючих газов и состоит из факельной трубы, в верхней части которой, на внешней стороне размещено кольцо, связанное трубопроводом чрез клапан, с паропроводом. В осевом канале факельной трубы размещены форсунки, связанные трубопроводом с клапаном, с подводящим паропроводом. Сепараторы, и другое технологическое оборудование обвязаны друг с другом системой трубопроводов, на которых установлены отсекающие задвижки, и другая арматура. В технологическую схему установки включен резервуар с герметизирующей жидкостью, которая контактирует с горючей смесью и позволяет регулировать расход смеси, при подаче в факельную трубу, для оптимизации процесса горения и при обеспечении бездымности, за счет регулируемой подачи в факел пара, по паропроводу с открытым клапаном. На верхнем конце факельной трубы установлена кольцевая обечайка, полость которой через перепускной клапан, связана с паропроводом.
К недостаткам установки следует отнести:
- сложность в конструктивном оформлении и управлении технологических процессом;
- управление процессом утилизации горючих газов при горении происходит за счет использования резервуара с герметизирующей жидкостью, уровень которой зависит от скорости подачи отработанных газов. Такая схема управления обладает низкой надежностью в работе в условиях низких температур;
- при малых расходах горючих газов применение установки и такого способа утилизации не позволяет эффективно их сжигать, из-за экономической целесообразности;
- достаточно сложно обеспечить остановку процесса горения горючих газов при их малых объемах, за счет подачи пара с применением клапанов для подачи пара, которые срабатывают при определенном перепаде давления подачи горючих газов и которого бывает недостаточно.
Известна автоматическая факельная установка (патент США № 9677762 МПК F23L 7/00, опубл. 13.06.2017 г.), принятая за прототип. Установка состоит из факельной трубы, с подводящим трубопроводом для потока горючего газа, трубопровода для подачи пара с клапаном, контроллером для управления, при его открытии. В месте выхода воспламеняющихся углеводородов на факельной трубе установлены сенсоры, для управления клапаном подачи пара. Сенсоры улавливают дым независимо от эффективности сгорания газа. Сенсоры также реагируют на температуру внутри свечи и около пламени. Падение температуры в факеле означает снижение эффективности процесса горения. Подача пара в факел направлена на повышение эффективности сгорания летучих органических соединений.
Недостатки конструкции.
Для эксплуатации установки необходимо использование электронных приборов и соединительных проводов, чтобы обеспечить срабатывание клапана подачи пара.
В случае гашения факела нет команды на прекращение процесса подачи горючего газа. Для продувки свечи от остатков горючего газа, необходимо применение инертного газа, например, азота, что в данном изобретении не предусмотрено.
После прекращения процесса горения поступление горючего газа необходимо остановить по команде оператора, путем закрытия задвижек на подводящем трубопроводе и на технологическом оборудовании. В противном случае горючий газ распыляется в атмосфере, что в ряде случаев может привести к несанкционированному воспламенению, за счет воздействия молнией, например, в летний период. В этом случае существует необходимость остановить процесс горения, путем прекращения подачи горючего газа к свече за счет перекрытия подачи задвижками, закрываемыми оператором, что требует больших затрат рабочего времени.
Восстановить процесс горения горючих газов можно путем проведения работ, связанных с подачей горючих газов путем открытия задвижек к свече, с воспламенением и включением подачи пара, за счет срабатывания сенсоров, с настройкой на технологический режим подачи пара через открытие клапана на линии подачи.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность прекращения несанкционированного горения горючих газов на факельной трубе путем подачи инертного газа во внутреннюю полость факельной трубы, без вмешательства оператора;
- возможность подачи инертного газа в ручном режиме, во внутреннюю полость факельной трубы, для прекращения горения.
Технический результат достигается тем, что установка для утилизации горючих газов состоит из факельной трубы, сборного трубопровода подачи горючих газов, подающего трубопровода инертного газа с перепускным клапаном, прибора контроля горения горючих газов, выполненного в виде полой обечайки, установленной на верхнем конце факельной трубы и связанной подающим трубопроводом с резервуаром инертного газа, причем подающий трубопровод снабжен предохранительным и перепускным клапанами, а линия подвода инертного газа к факельной трубе выполнена в виде трубки, снабжена байпасом и обводным каналом с задвижкой, для подпитки инертным газом полой обечайки.
Общая схема факельной установки показана на фигуре 1.
Факельная установка состоит из факельной трубы 1 связанной подводящим трубопроводом с технологическим оборудованием (на рисунке не показано).
На верхнем конце факельной трубы 1 установлена полая обечайка 2. Установка снабжена резервуаром 3 с инертным газом, связанным подающим трубопроводом 4, с перепускным клапаном 5, через задвижку 6 и предохранительный клапан 7 с полой обечайкой 2.
Для периодической подпитки полости полой обечайки 2 инертным газом из резервуара 3, применен обводной канал 8 с задвижкой 9. Резервуар 3 связан трубопроводом 4  и трубкой 10 с факельной трубой 1. Перепускной клапан 5 связан с внутренней полостью 11 факельной трубы 1.
Для ручной подачи инертного газа в полость 11 факельной трубы 1 трубка 10 обвязана байпасной линией 12 с задвижкой 13 с подающим трубопроводом 4. На подающем трубопроводе 4, ниже места размещения предохранительного клапана 7 установлен манометр 14. Линия трубопровода 15 от перепускного клапана 5 к факельной трубе 1 снабжена задвижкой 16, а резервуар 3 снабжен также задвижкой 17 и манометром 18. Подача горючего газа осуществляется по сборному трубопроводу 19 при открытой задвижке 20.
Работа установки.
Через задвижки 17 и 9, при закрытых задвижках 6, 13 и 16, осуществляют подачу инертного газа из резервуара 3, по подающему трубопроводу 4 во внутреннюю полость полой обечайки 2, с контролем давления по манометру 14. Предохранительный клапан 7 настраивается на расчетное давление. Открывается задвижка 6 и задвижка 16 и закрывается задвижка 9.
В таком положении элементов технологической оснастки открывают задвижку 20 на сборном трубопроводе 19 и осуществляют подачу горючих газов во внутреннюю полость 11 факельной трубы 1, с распылением в атмосфере. При формировании грозового фронта и возникновении молний, существует вероятность возгорания горючей смеси газов на выходе из факельной трубы 1, что считается аварийным.
Горение горючих газов приводит к нагреву инертного газа внутри полой обечайки 2, с ростом давления, которое по подающему трубопроводу 4 сообщается перепускному клапану 5. При этом происходит его открытие на подачу инертного газа из резервуара 3 к задвижке 16 и далее по трубопроводу 15 и трубке 10 поток подается во внутреннюю полость факельной трубы 1, с отсечкой потока горючего газа и прекращением горения. При остывании факельной трубы 1 и полой обечайки 2, происходит падение давления инертного газа внутри полой обечайки 2, что приводит к закрытию потока инертного газа из резервуара 3, с переходом на продолжение процесса работы установки в обычном режиме.
В случае, когда может быть отказ перепускного клапана 5, то при закрытии задвижек 6 и 16 и открытии задвижки 13 по байпасной линии 12 через трубку 10 во внутреннюю полость 11 факельной трубы 1 можно подать инертный газ в ручном режиме. Предохранительный клапан 7, при превышении давления выше необходимого, срабатывает на сброс части объема газа в атмосферу.
При падении давления внутри полой обечайки 2 ниже допустимых значений, можно осуществить восполнение объема путем подачи из резервуара 3. После того как инертный газ из резервуара 3 использован, последний может быть заменен на новый.