ОГОЛОВОК ФАКЕЛЬНОЙ ТРУБЫ
FLARE PIPE HEAD

Изобретение относится к устройствам для сжигания аварийных, постоянных и периодических выбросов горючего газа и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности.
Известен оголовок факельной трубы (патент RU №2285863, МПК F23G 7/06, опубл. 20.10.2006 г. в бюл. №29), содержащий газоподающую трубу с газовым затвором и защитный экран, установленный снаружи и коаксиально на верхнем конце газоподающей трубы, при этом защитный экран выполнен из двух перегородок в виде двух усеченных конусов, установленных друг на друга соосно и неподвижно, верхняя из которых обращена большим основанием вниз, нижняя - большим основанием вверх, а малым основанием соединена с газоподающей трубой, при этом боковая поверхность нижней перегородки выполнена из уголков, установленных по образующей конуса с зазором относительно друг друга и обращенных вершинами уголков наружу, при этом линия соединения больших оснований перегородок, верхней и нижней, расположена на уровне среза газоподающей трубы.
Недостатками конструкции данного устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции устройства, связанная с наличием двух перегородок в виде двух усеченных конусов, установленных друг на друга соосно и неподвижно, кроме того, эти перегородки технически трудоемки в изготовлении, и, как следствие, высокая себестоимость изготовления устройства;
- во-вторых, низкая надежность, обусловлена нестабильным горением факела. Это связано с тем, что при прямоточном истечении из круглой полой трубы (диффузионное горение) частицы газа, двигаясь под действием сил инерции, по выходу из оголовка почти не меняют своего направления. Подсос кислорода из окружающей среды происходит за счет диффузии в малых объемах и фронт горения получается растянутым. Известно, что скорость горения для углеводородных газов при коэффициенте избытка воздуха α=1 составляет от 0,67 м/с до 0,85 м/с, поэтому при скорости горения меньше от 0,67 м/с происходит «затягивание пламени» (иногда называют подсосом пламени) и факел тухнет;
- в-третьих, невозможность регулирования пропускной способности устройства при изменении объема подачи газа в газоотводную трубу, т.е. конструкция оголовка факельной трубы рассчитана строго на определенное количество газа, сжигаемого на единицу времени.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является оголовок факельной трубы (патент RU №2371637, МПК F23G 7/06, опубл. 27.10.2009 г. в бюл. №30), включающий газоподающую трубу и стабилизатор пламени в виде пустотелого геометрического тела, установленного на верхнем конце газоподающей трубы, при этом стабилизатор расположен коаксиально снаружи газоподающей трубы, под стабилизатором соосно и с зазором установлен стакан с центральным и периферийным отверстиями в донышке, причем центральным отверстием стакан укреплен на газоподающей трубе, а в периферийное отверстие вмонтирован поршневой акустический нагнетатель воздуха, при этом стабилизатор выполнен в виде цилиндра, при этом нижняя кромка стабилизатора расположена ниже, а верхняя его кромка - выше верхней кромки газоподающей трубы, диаметр стабилизатора больше диаметра стакана.
Недостатками конструкции данного устройства являются:
- во-первых, низкая надежность работы, обусловлена нестабильным горением факела. Это связано с тем, что при прямоточном истечении из круглой полой трубы (диффузионное горение) частицы газа, двигаясь под действием сил инерции, по выходу из оголовка почти не меняют своего направления. Подсос кислорода из окружающей среды происходит за счет диффузии в малых объемах, и фронт горения получается растянутым. Известно, что скорость горения для углеводородных газов при коэффициенте избытка воздуха α=1 составляет от 0,67 м/с до 0,85 м/с, поэтому при скорости горения меньше от 0,67 м/с происходит «затягивание пламени» (иногда называют подсосом пламени) и факел тухнет;
- во-вторых, низкая эффективность работы, связана с неполным сжиганием газа и отсутствием дополнительного подсоса воздуха в процессе горения факела;
- в-третьих, невозможность регулирования пропускной способности устройства при изменении объема газа подаваемого для сжигания, т.е. конструкция устройства рассчитана строго на определенное количество газа, сжигаемого на единицу времени;
- в-четвертых, сложность конструкции устройства, связанная с наличием поршневого акустического нагнетателя воздуха технически трудоемкого в изготовлении, и, как следствие, высокая себестоимость изготовления устройства.
Технической задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства с возможностью регулирования пропускной способности устройства по газу, а также упрощение конструкции устройства и снижение себестоимости его изготовления.
Поставленная техническая задача решается оголовком факельной трубы, включающим газоподающую трубу и стабилизатор пламени, выполненный в виде цилиндра и установленный снаружи на верхнем конце газоподающей трубы, стакан, установленный под стабилизатором соосно и с зазором, а диаметр стабилизатора пламени больше диаметра стакана.
Новым является то, что нижняя кромка стакана расположена ниже верхней кромки газоподающей трубы, а верхняя кромка стакана расположена выше верхней кромки газоподающей трубы, причем нижняя кромка стабилизатора пламени расположена ниже верхней кромки стакана, но выше нижней кромки стакана, при этом соотношение площади поперечного сечения газоподающей трубы к площади кольцевого пространства между стаканом и газоподающей трубой составляет 1:4, при этом в верхней кромке стакана жестко установлена крышка с центральным отверстием, а в центральном отверстии крышки концентрично размещено сопло со сменной насадкой, причем площадь проходного сечения кольцевого пространства между стаканом и стабилизатором пламени составляет от 30 до 70% площади кольцевого пространства между стаканом и газоподающей трубой, при этом стабилизатор пламени сверху над сменной насадкой оснащен кольцевыми лопатками с углом наклона 70-75°.
На фигуре 1 схематично в продольном разрезе изображен предлагаемый оголовок факельной трубы.
На фигуре 2 изображено поперечное сечение А-А предлагаемого оголовка факельной трубы.
1
2
Оголовок факельной трубы включает газоподающую трубу 1 (см. фиг. 1) и стабилизатор пламени 2, выполненный в виде цилиндра и установленный коаксиально снаружи на верхнем конце газоподающей трубы 1. Стакан 3 установлен под стабилизатором пламени 2 соосно и с зазором, а диаметр - D стабилизатора пламени 2 больше диаметра - D стакана 3. Нижняя кромка 4 стакана 3 расположена ниже верхней кромки 5 газоподающей трубы, а верхняя кромка 6 стакана 3 расположена выше верхней кромки 5 газоподающей трубы 1.
1
2
3
Нижняя кромка 7 стабилизатора пламени 2 расположена ниже верхней кромки 5 стакана 3, но выше нижней кромки 4 стакана 3. Соотношение площади поперечного сечения - S газоподающей трубы 1 к площади кольцевого пространства - S между стаканом 3 и газоподающей трубой 1 составляет 1:4. Это условие установлено опытным путем и обеспечивает полное сгорание 1 м газа.
т
т
1
т
2
2
-3
2
Например, проходной диаметр - d газоподающей трубы 1 составляет 100 мм = 0,1 м, т.е. d=0,1 м. Тогда S=π·(d)/4=3,14·(0,1 м)/4=7,85·10 м.
1
2
2
2
-3
2
-3
2
Тогда с учетом соотношения (1:4) площади поперечного сечения - S газоподающей трубы 1 к площади кольцевого пространства - S между стаканом 3 и газоподающей трубой 1, площадь кольцевого пространства - S составит: S=4·7,85·10 м=31,4·10 м.
3
2
3
2
2
3
2
3
-3
2
-3
2
-3
2
-3
2
-3
2
В верхней кромке 6 стакана 3 жестко установлена крышка 8 с центральным отверстием 9. В центральном отверстии 9 крышки 8 концентрично размещено сопло 10 со сменной насадкой 11, причем площадь проходного сечения кольцевого пространства - S между стаканом и стабилизатором пламени составляет от 30 до 70% площади кольцевого пространства - S между стаканом 3 и газоподающей трубой 1, т.е. S=(0,3-0,7)·S. Например, как отмечено выше, при площади кольцевого пространства - S между стаканом 3 и газоподающей трубой 1, равной 31,4·10 м, площадь проходного сечения кольцевого пространства - S=(0,3-0,7)·S=(0,3-0,7)·31,4·10 м=9,42·10 м-21,98·10 м. Примем S=15,0·10 м.
Стабилизатор пламени 2 сверху над сменной насадкой 11 оснащен кольцевыми лопатками 12′; 12′′; 12′′′ (см. фиг. 1 и 2) с углом наклона 70-75°.
Устройство работает следующим образом.
н
н
н
3
Перед запуском устройства в работу в сопло 10 (см. фиг. 1) устанавливают сменную насадку с проходным каналом диаметром d. Диаметр d подбирается опытным путем в зависимости от суточного объема подачи газа в оголовок факельной трубы через газоподающую трубу 1. Например, при суточном объеме подачи газа Q=2300 м/сут по газоподающей трубке в сопло 10 устанавливают и фиксируют, например, с помощью резьбового соединения (на фиг. 1 и 2 не показано) сменную насадку 11 (см. фиг. 1) с проходным каналом диаметром d=2 см=20 мм=0,02 м.
2
Сжигаемый газ подается по газоподающей трубе 1 и на выходе из сменной насадки 11 поджигается дежурной горелкой. Газ, поступающий в оголовок факельной трубы через газоподающую трубу 1, при попадании в сменную насадку 11 сопла 10 инжектирует в необходимом количестве воздух для сжигания газа через кольцевое пространство - S между стаканом 3 и газоподающей трубой 1.
2
Разрежение, создаваемое при инжектировании воздуха на входе в сменную насадку 11, возрастает с увеличением давления газа, подаваемого в оголовок факельной трубы по газоподводящей трубе 1, что требует увеличения количества подсасываемого воздуха, необходимого для стабильного горения и полного сгорания газа, поэтому дополнительный подсос воздуха осуществляется через кольцевое пространство - S между стаканом 3 и газоподающей трубой 1, при этом кольцевые лопатки с углом наклона 70-75° (см. фиг. 1 и 2), установленные вверху стабилизатора пламени, максимально увеличивают турбулентность воздуха внутри стакана 3 (см. фиг. 1), что подобрано опытным путем.
При инжектировании воздуха горючим газом в сменную насадку 11 происходит диффузный фронт горения, а при дополнительном подсосе воздуха в стакан 3 возникает кинетический фронт горения.
Повышается надежность работы, так как предлагаемая конструкция устройства гарантирует стабильное горение факела. Это обеспечивается благодаря «смешанному горению», т.е. одновременному наличию кинетического и диффузионного фронтов горения, что делает эффективным применение стабилизатора горения при увеличении скорости истечения газа, также инжектирование воздуха в сочетании со стабилизатором пламени исключает «отрыв пламени».
2
3
2
3
2
Повышается эффективность работы устройства вследствие полного сгорания газа. Это обеспечивается тем, что конструктивно соотношение площади газоподающей трубы 1, т.е. подачи газа к площади кольцевого пространства - S, между стаканом 3 и газоподающей трубой 1 для подачи воздуха, равно 1:4. Кроме того, конструктивное выполнение площади проходного сечения кольцевого пространства - S, между стаканом и стабилизатором к площади кольцевого пространства S, между стаканом и газоподающей трубой в отношении: S=(0,3-0,7)·S, в сочетании с тем, что стабилизатор пламени оснащен сверху лопатками с углом наклона 70-75° для увеличения турбулентности воздуха внутри стакана 3, позволяющего произвести дополнительный подсос воздуха при работе устройства, что также позволяет эффективно сжигать газ.
н
н
Возможность изменения проходного диаметра (пропускной способности) сменной насадки 11, устанавливаемой в сопло 10 по газу, делает предлагаемый оголовок факельной трубы универсальным для дожимных насосных станций с различными суточными объемами подачи газа, т.е. конструкция устройства позволяет быстро перенастроить сменную насадку 11 в сопле 10 при изменениях объема сжигаемого газа путем ее замены. Т.е. увеличивают проходной диаметр d сменной насадки 11 при увеличении суточного объема подачи газа, и наоборот, уменьшают проходной диаметр d сменной насадки при уменьшении суточного объема подачи газа.
Предлагаемый оголовок факельной трубы в отличие от прототипа имеет простую конструкцию, так как не имеет поршневого нагнетателя воздуха, а сам оголовок факельной трубы изготовляется из подручных материалов (трубного проката различных типоразмеров) и не требует высоких расходов на изготовление, и, как следствие, имеет низкую себестоимость изготовления.
Предлагаемый оголовок факельной трубы позволяет:
- повысить надежность и эффективность работы;
- регулировать работу устройства в зависимости от объем сжигаемого в нем газа;
- упростить конструкцию и снизить себестоимость изготовления.