ФАКЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
FLARE DEVICE FOR COMBUSTION OF HYDROCARBONS

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в процессе добычи углеводородов, в частности для вынужденного бездымного сжигания углеводородов, в том числе нефти, накапливаемой в период пробной эксплуатации и исследования нефтяных скважин непосредственно на промысле, а также на морских нефтяных платформах.
Сжигание газов и нефти позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды токсичными и горючими веществами.
Известна универсальная факельная установка (пат. РФ №2554684, МПК F23D 14/20, F23L 17/02, опубл. 27.06.2015 г. ), содержащая цилиндрические и расположенные соосно основание, оголовок с множеством боковых форсуночных отверстий на его боковой поверхности и кожух, расположенный с радиальным зазором вокруг оголовка. Основание и оголовок выполнены в виде единой детали трубопровода, внутренний диаметр оголовка больше внутреннего диаметра основания, а радиальный зазор выполнен сквозным. Установка содержит два рассекателя, установленных соосно с трубопроводом, причем первый рассекатель потока топлива с множеством форсуночных отверстий установлен в верхней части основания, а второй рассекатель установлен подвижно вдоль оси трубопровода, выполнен в виде диска с форсуночными отверстиями, одно из которых расположено в центре и является выходом газоуравнительной трубки, образующей торцевое кольцевое отверстие оголовка, и образует с торцом оголовка узкую торцевую щель при низком давлении топлива в трубопроводе, размер которой увеличивается с поднятием рассекателя над торцом оголовка при возрастании давления топлива.
Однако указанное устройство не является достаточно надежным и безопасным, вследствие перегрева узлов и элементов, расположенных внутри кожуха: оголовка, рассекателей, диска, газоуравнительной трубки, кольцевой детали и трубопровода, обусловленного воздействием возвратного пламени.
Известно устройство для сжигания углеводородного флюида (пат. РФ №2558823, МПК F23D 11/12, опубл. 10.08.2013 г. ), характеризующееся тем, что содержит корпус, отражатель, установленный в выходной части корпуса, дежурную горелку, расположенную внутри корпуса, смесительную головку, расположенную в выходной части отражателя и состоящую из торообразного коллектора подачи углеводородного флюида, торообразный коллектор подачи сжатого воздуха или пара, подсоединенных к пневматическим форсункам, расположенных равномерно по окружности, трубопровод подачи сжатого воздуха, трубопровод подачи углеводородного флюида, закрепленные на корпусе и соединенные со смесительной головкой.
Однако и в данном устройстве перегрев дежурной горелки, смесительной головки, коллектора подачи углеводородного флюида, коллектора подачи сжатого воздуха и трубопровода подачи углеводородного флюида в результате воздействия возвратного пламени, также снижает надежность и безопасность.
Известно устройство для экологически чистого горения углеводородных флюидов (пат. РФ №2499191, МПК F23G 7/00, опубл. 20.11.2013 г.), включающее впуск для топлива, куда подаются загрязненные углеводородные флюиды и запасное углеводородное топливо, топливораспределительное устройство, соединенное с впуском для топлива, газотурбинный двигатель, соединенный с топливораспределительным устройством и работающий на запасном углеводородном топливе, или на загрязненных углеводородных флюидах, либо на их комбинации, воздушный винт, укрепленный на валу и приводимый в действие газотурбинным двигателем, камера предварительного смешения, запальное устройство, соединенное с камерой предварительного смешения, набор форсунок камеры предварительного смешения, соединенный с топливораспределительным устройством, для распыления загрязненных углеводородных флюидов в воздух, нагнетаемый газотурбинным двигателем по направлению к запальному устройству, горелочное сопло, соединенное с камерой предварительного смешения, которое формирует и направляет образующееся пламя и блок управления, соединенный с топливораспределительным устройством, регулирующими элементами газотурбинного двигателя и датчиками обратной связи для управления системой.
К недостаткам известного устройства также можно отнести невысокую надежность и безопасность, обусловленные тем, что газотурбинный двигатель расположен в камере предварительного смешения в непосредственной близости к горелочному соплу и при встречном ветре подвержен перегреву в результате воздействия возвратного пламени.
Известно горелочное устройство для сжигания сырой нефти (пат. РФ №2585334, МПК F23D 11/10, F23G 7/05, опубл. 25.05.2016 г. ), характеризующееся тем, что содержит раму, смесительную головку, закрепленную на раме и включающую в себя блок подачи сжатого воздуха, блок подачи сырой нефти, представляющие собой два кольцевых коллектора, установленные соосно и соединенные между собой двумя глухими патрубками, форсунки, расположенные по концентрическим окружностям и связывающие между собой блок подачи сжатого воздуха и блок подачи сырой нефти, состоящие из наконечника в виде полого цилиндра, соединенного с блоком подачи сырой нефти. В выходной части расположена вставка с профилированным осевым каналом, а в ее выходной части выполнены каналы, расположенные под углом к оси форсунки. Устройство содержит втулку с цилиндрической внутренней поверхностью, охватывающую с зазором наконечник, и соединенную с блоком подачи сжатого воздуха, на торце которой закреплено сопло. Дежурная горелка расположена на оси смесительной головки и закреплена на раме. Трубопровод сжатого воздуха и трубопровод сырой нефти соединены со смесительной головкой.
Причинами, препятствующими достижению высокой надежности и безопасности известного устройства, является также наличие перегрева трубопроводов подачи сжатого воздуха, кольцевых коллекторов и горелки, вследствие близкого расположения форсунок и воздействия возвратного пламени.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является принятая за прототип горизонтальная факельная установка для сжигания жидких углеводородов при пробной эксплуатации и исследовании скважин (пат. РФ №2563943, МПК F23G 7/05, F23C 99/00,опубл. 27.09.2015 г. ), содержащая трубопроводы подвода нефти и сжатого воздуха, поворотное устройство, которое выполнено в виде поворотного трубного шарнира и установлено с возможностью позиционирования оголовка факельной установки при изменении направления ветра, расположенные горизонтально и установленные параллельно друг другу, оснащенные оголовком факельные стволы подачи нефти и сжатого воздуха, дежурную горелку, закрепленную к факельным стволам, раму-основание, на которой смонтированы все элементы установки. Каждый из стволов подачи нефти и сжатого воздуха соединен с поворотным устройством, которое установлено с возможностью позиционирования оголовка по дуге 270°. Соотношение диаметра факельных стволов к их длине составляет не менее 1:25, установка содержит защитный экран, установленный на факельных стволах установки.
Невысокая надежность и безопасность указанного устройства, обусловлены перегревом дежурной горелки, смесительной головки, коллектора подачи углеводородного флюида, коллектора подачи сжатого воздуха и трубопровода подачи углеводородного флюида в результате воздействия возвратного пламени, особенно проявляющихся при требуемой производительности факельной установки свыше 10000 баррелей в сутки.
Признаки, общие с заявляемым факельным устройством для сжигания углеводородов:
- головка горелки;
- факельные стволы подачи нефти и сжатого воздуха;
- дежурная газовая горелка, закрепленная к факельным стволам;
- рама-основание, на которой смонтированы все элементы установки;
- защитный экран.
Основной задачей заявляемого изобретения является создание факельного устройства для сжигания жидких и газообразных углеводородов, не допускающего перегрева трубопроводов подачи углеводородов, сжатого воздуха и узлов горелки, обладающего высокой надежностью и безопасностью при любых (малых и больших) объемах сжигаемых нефтепродуктов.
Техническим результатом предлагаемого устройства для сжигания углеводородов является обеспечение высокой надежности, безопасности и долговечности, путем уменьшения взаимного нагрева газовых горелок и форсунок, и за счет функционирования газовых горелок и воспламеняющего устройства с возможностью воспламенения от соседних газовых горелок и искрообразователей. Это достигается повышением эффективности работы форсунок путем создания завихрений потоков жидкого углеводорода сжатым воздухом, установкой их с наклоном относительно центральных осей и за счет снижения нагрева трубопроводов и факельных стволов экранированием водяным отражателем.
Дополнительным техническим результатом является увеличение производительности предлагаемой установки для сжигания углеводородов.
Технический результат достигается тем, что в факельном устройстве для сжигания углеводородов, содержащем горелки, расположенные горизонтально и установленные параллельно друг другу, каждая из которых оснащена, по меньшей мере, одной головкой, факельные стволы подачи нефти и сжатого воздуха, дежурную газовую горелку, закрепленную к факельным стволам, выполненным с возможностью соединения с трубопроводами подвода нефти и сжатого воздуха, раму-основание, на которой смонтированы все элементы устройства и защитный экран, новым является то, что каждая головка горелки выполнена, по меньшей мере, в виде одной форсунки, соединенной через факельные стволы с трубопроводами нефти и сжатого воздуха, дежурная газовая горелка содержит, по меньшей мере, одно сопло, обращенное к каждой форсунке, выполненное с возможностью подсоединения к источнику сжатого воздуха и емкости с газом, воспламеняющее устройство для розжига сопла каждой газовой горелки, выполненное в торце центральной части головки горелки в виде расположенных по кругу радиальных каналов для подачи сжатого воздуха и газа и с возможностью подсоединения к источнику сжатого воздуха и емкости с газом, и, по меньшей мере, один искрообразователь с пневмо или электрозапуском, соединенный с панелью управления.
Рационально в факельном устройстве для сжигания углеводородов при использовании более одной головки горелки устанавливать их в ряд с наклоном каждой из них в вертикальной плоскости в пределах 30-60°.
Оптимально в факельном устройстве для сжигания углеводородов при использовании более одной головки горелки устанавливать их в ряд с отклонением друг относительно друга в горизонтальной плоскости в пределах 15-30°.
Рекомендуется в факельном устройстве для сжигания углеводородов форсунки головки горелки выполнять в виде втулок, устанавливаемых в корпусе головки при помощи резьбовых соединений, каждая из которых снабжена осевым отверстием для ввода нефти и боковым отверстием для подачи сжатого воздуха.
Целесообразно в факельном устройстве для сжигания углеводородов головки горелки снабжать сменяемыми заглушками, выполненными в виде втулок без осевого и бокового отверстий, устанавливаемых в корпусе головки при помощи резьбовых соединений в случае необходимости ее опрессовки.
Предпочтительно в факельном устройстве для сжигания углеводородов форсунки и заглушки устанавливать симметрично по окружности относительно оси головки горелки с наклоном в пределах 10-20°.
Рационально в факельном устройстве для сжигания углеводородов защитный экран выполнять в виде водяного отражателя, содержащего форсунки, соединенные через водопровод и водяной насос с магистралью подачи воды.
Предлагаемое решение по совокупности признаков является новым, так как в настоящее время отсутствуют сведения об аналогичных установках, характеризуемых приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого устройства являются наличие новых конструктивных элементов и узлов, форма их выполнения и взаимосвязи между ними, неизвестные из уровня техники для достижения заявленного результата, что позволяет считать заявленное решение удовлетворяющим условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведены проекции факельного устройства для сжигания углеводородов;
на фиг. 2 показано расположение головок горелок и факельных стволов;
на фиг. 3 представлен общий вид головки горелки с установленными на ней форсунками, дежурными газовыми горелками и воспламеняющим устройством;
на фиг. 4 изображены в разрезе корпус с установленной форсункой и отдельно сменяемая заглушка и форсунка.
на фиг. 5 приведена схема соединения факельного устройства для сжигания углеводородов с оборудованием скважины.
Факельное устройство для сжигания углеводородов содержит трубопроводы подвода нефти (газа) 1 и сжатого воздуха 2 (фиг. 1, 2), расположенные горизонтально, установленные параллельно друг другу и оснащенные, по меньшей мере, одной головкой 10 горелки 3, факельные стволы подачи нефти (газа) 4 и сжатого воздуха 5, дежурную газовую горелку 6, закрепленные к факельным стволам 4, 5, раму-основание 7, на которой смонтированы все элементы устройства и защитный экран, образованный потоком воды форсунками 24, установленными на патрубке 23 (фиг. 5). Головки горелки 3 устанавливаются на раме-основании 7 горизонтально в ряд с отклонением друг относительно друга в горизонтальной плоскости в пределах 15°-30° и наклоном каждой из них в вертикальной плоскости в пределах 30-60°. Установка головок горелок 3 с наклоном в вертикальной плоскости позволяет направить пламя с наклоном и снизить нагрев головки, а отклонение головок друг относительно друга в горизонтальной плоскости ориентирует факелы каждой из них в сторону от соседней горелки и в значительной мере снижает их взаимный нагрев, что, в конечном счете, способствует повышению надежности, безопасности, долговечности установки и достижению технического результата. Каждая головка горелки 3 выполнена (фиг. 3) в виде центральной части 9 и, по меньшей мере, одной форсунки 10 и соединена через факельные стволы 4, 5, выполненные с возможностью соединения с трубопроводами подвода нефти (газа) 1 и сжатого воздуха 2. Форсунки 10 головки горелки 3 установлены (фиг. 3) на центральной части 9 симметрично по окружности с отклонением в пределах 10-20° относительно оси головки горелки 3, что способствует уменьшению взаимного термического воздействия пламени каждой форсунки на соседние и центральную часть 9 головки горелки, снижению температуры факела в осевом направлении, повышению надежности и долговечности. Форсунки 10 выполнены (фиг. 4) в виде втулок 11, установленных в корпусе головки при помощи резьбовых соединений 12 и зафиксированных болтами 8 (фиг. 3). Каждая из втулок 11 снабжена осевым отверстием 13 для ввода нефти (газа) и боковыми отверстиями 14 и 16 (фиг. 4) для подачи сжатого воздуха. Ортогональное движение нефти (газа) и сжатого воздуха в полости втулки 11 способствует их эффективному перемешиванию, образованию мелкодисперсной смеси и обеспечивает полное и безопасное сгорание углеводорода.
Дежурная газовая горелка 6 содержит, по меньшей мере, одно сопло 15, установленное напротив каждой форсунки 10 и подсоединенное через трубопроводы 2, 31 к источнику сжатого воздуха - группе компрессоров 30 и первой емкости с газом 17 (фиг. 5). Каждое сопло 15 обращено к воспламеняющему устройству 18, при розжиге и в течение рабочего периода образует пламя, направляемое отражателем 29 к соответствующей форсунке и соседним форсункам, что обеспечивает надежное воспламенение и горение смеси, выбрасываемой форсунками 10 (фиг. 3). Воспламеняющее устройство для розжига сопла 15 каждой газовой горелки выполнено в торце 19 центральной части 9 головки горелки в виде радиальных каналов для подачи сжатого воздуха и газа, подсоединено через трубопроводы 2, 32 к источнику сжатого воздуха 30 и второй емкости с газом 20 и снабжено, по меньшей мере, одним искрообразователем 21, соединенным с панелью управления 22. Надежный розжиг обеспечивается искрообразователем 21 с пневмо или электрозапуском, который воздействует на газовоздушную смесь, поступающую через радиальные каналы, расположенные по кругу торцевой части 19, и последующим воспламенением газовоздушной смеси на выходе каждого сопла 15.
Защитный экран расположен (фиг. 5) в плоскости, перпендикулярной трубопроводам подвода нефти 1 и сжатого воздуха 2, содержит установленные на патрубке 23 форсунки 24, соединенные через водопровод 25 и водяной насос 26 с магистралью подачи воды 27. Струи воды, выбрасываемые вертикально из форсунок 24, образуют водяной отражатель в виде сплошной завесы. Водяной отражатель устанавливается на трубопроводы подвода нефти (газа) 1 и сжатого воздуха 21 на расстоянии 3-5 метров от головок горелок 3 и исключает нагрев трубопроводов подвода нефти, сжатого воздуха и газа в результате воздействия возвратного пламени, что способствует повышению надежности, долговечности установки.
Головки горелки 3 могут быть снабжены сменяемыми заглушками 28, выполненными в виде втулок без осевого и бокового отверстий, устанавливаемых в корпусе головки при помощи резьбовых соединений 12 и, например, опрессовки.
В торцевой центральной части 19 установлен отражатель 29, направляющий пламя от воспламеняющего устройства к каждому соплу 15 газовой горелки и от нее к каждой форсунке 10.
Работает факельное устройство для сжигания углеводородов следующим образом.
После монтажа (фиг. 1, 2) головок горелок 3 на раме-основании 7 производится их подсоединение через трубопроводы подачи нефти (газа) 1, сжатого воздуха 2, трубопроводы 31, 32, а форсунки 24, водопровод 25 и кабели 33 соответственно к скважине (на чертежах не показана), компрессорам 30, первой емкости с газом 17, второй емкости с газом 20, водяному насосу 26 и панели управления 22. Рекомендуется раму-основание 7 позиционировать таким образом, чтобы головки горелок 3 были ориентированы с учетом направления доминирующей розы ветров.
Для подготовки факельного устройства к работе запускаются компрессоры 30, водяной насос 26, в результате чего струи воды, выбрасываемые вертикально из форсунок 24, образуют защитный водяной отражатель в виде сплошной завесы в вертикальной плоскости, перпендикулярной трубопроводам подвода нефти (газа) и сжатого воздуха, который снижает воздействие теплового излучения и возвратного пламени и защищает оборудование установки (фиг. 5), расположенное вблизи головок горелок 3.
Затем подается газ от второй емкости с газом 20 и производится инициирование воспламеняющего устройства 18 путем подачи импульса напряжения от панели управления 22 через кабели 33, в результате чего в торце 19 центральной части 9 головки горелки 3 образуется устойчивое круговое пламя. Далее от первой емкости с газом 17 осуществляется подача газа к соплам 15 дежурной газовой горелки 6, и от кругового пламени воспламеняющего устройства 18 производится по джиг дежурной газовой горелки 6. При этом загораются факелы на выходах каждого сопла 15, которые отбрасываются отражателем 29, в результате создается круговое пламя дежурных газовых горелок 6. Экспериментальные испытания показали, что расход газа (пропана), поступающего от второй емкости с газом 2 на воспламеняющее устройство 18 составляет 0,5 кг/час, а потребляемого форсунками 10 от первой емкости - 4,5 кг/час для одной головки горелки 3.
После образования факелов на выходах каждого сопла 15 прекращается подача газа от второй емкости с газом 20 к воспламеняющему устройству 18. Далее устойчивое и надежное горение факелов горелки поддерживается дежурными газовыми горелками 6, обеспечивающими круговое пламя, направленное к торцам форсунок 10, и факелами соседних форсунок после их розжига
Далее под давлением 7 атм. подается сжатый воздух, а через определенную временную задержку под давлением 14 атм. - подлежащая сжиганию нефть (газ) по соответствующим трубопроводам подачи нефти (газа) 1 и сжатого воздуха 2, которые через факельные стволы подачи нефти (газа) 4 и сжатого воздуха 5 поступают в полости втулок 11 форсунок 10. Ортогональное движение нефти (газа) и сжатого воздуха в полости втулок 1 Способствует их эффективному перемешиванию и образованию мелкодисперсной смеси, которая выбрасывается в осевом направлении головки горелки 3, поджигается круговым пламенем дежурной газовой горелки 6, в результате в факелах головок горелок происходит полное и безопасное сгорание жидкого (газообразного) углеводорода. Полости втулок 11 имеют неперекрытый выход, исключающий закупоривание. Внутренние нефтепроводящие (газопроводящие) каналы факельных стволов подачи нефти 4 и сжатого воздуха 5 выполнены с расширением, что снижает давление, уменьшает эффект коррозии и эрозии, повышает надежность, долговечность и способствует достижению технического результата.
Опытные испытания показали, что при использовании трех головок горелок 3, установленных под углом 20° на расстоянии не менее 60 см. друг от друга обеспечивается полное сжигание 1900 куб.м. нефти в сутки. Расход сжатого воздуха при этом составляет 120 куб. м. в минуту.
Заявляемое изобретение способствует созданию факельного устройства для сжигания жидких углеводородов, обладающего высокой надежностью и безопасностью при больших объемах сжигаемых нефтепродуктов.