ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER APPARATUS

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для сжигания и полезного использования газообразного топлива различной насыщенности (в том числе природных газов, попутных нефтяных газов (ПНГ) I, II, III ступеней сепарации, легких фракций и других технологических газов, включая сланцевые и биогазы). Горелочное устройство (ГУ) может быть использовано в теплогенераторах, котлах различного назначения (водогрейных - от бытовых до промышленных), факелах закрытого и открытого типа и т.д.
Известна газовая инжекционная горелка (патент на изобретение №2395035, опубл. 20.07.2010, Гнедочкин Ю.М., Республика Татарстан, г. Бугульма), содержащая тороидальную камеру для подачи топлива через патрубок, а также ряд смесительных стволов, герметично установленных в торцевых стенках газовой камеры по окружности, проходящих через нее и имеющих газовые сопла, выполненные с наклоном в сторону движения воздуха и расположенные в газовой камере. Недостатком устройства является необходимость принудительной подачи воздуха вентилятором, неустойчивость горения при низком давлении топлива и опасность отрыва пламени при высоких значениях давления, необходимость газорегуляторной установки перед горелкой. Кроме того, устройство камеры с перегородками и установка в ней смесительных стволов достаточно сложны в изготовлении и при ремонте.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения выбрано устройство для сжигания углеводородного флюида (патент РФ №2558823, опубл. 10.08.2015, Климов В.Ю., г. Воронеж), выполненное металлическим и содержащее открытый сверху корпус (обечайка), в котором практически соосно корпусу установлен тороидальный топливный коллектор (торообразный по описанию), соединенный с системой подачи топлива. В топливном коллекторе в направлении горения практически соосно корпусу установлены двухканальные смесительные топливные стволы (пневматические форсунки). Внешний кольцевой канал в форсунках для подачи жидкого/газообразного топлива образован герметично установленным на топливном коллекторе соплом (наружной трубкой) со смесителем (диффузором) и внутренним каналом. Внутренний канал в форсунках для подачи воздуха/пара образован внутренней трубкой, проходящей насквозь через топливный коллектор и соединенной с подключенным к системе подачи воздуха/пара вторым тороидальным коллектором, и расширяющейся насадкой. Устройство имеет сложную конструкцию, требующую использования специального, достаточно точного оборудования для изготовления деталей, трудоемко в изготовлении, сборке и при ремонте. Кроме того, устройство требует затрат энергии для принудительной подачи воздуха/пара, установки регуляторных устройств на системы подачи топлива и воздуха/пара для получения эффективной горючей смеси в камере смесителя, а также дежурной горелки.
3
3
Задачей предлагаемого технического решения является разработка конструкции горелочного устройства, исключающей вышеуказанные недостатки. Конструкция ГУ должна обеспечивать устойчивое горение (без отрывов и проскоков пламени) и эффективное сжигание газообразного топлива различного состава (в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с большим, более 80%, содержанием азота и/или углекислого и других технологических газов), давления (от 0,0001 до 1,2 МПа) и поступающего объема (от 20 м/сут до 300000 и более м/сут) при минимальном регулирования подачи топлива (без обязательной установки газорегулирующих установок). Кроме того, конструкция должна быть простой, удобной при изготовлении, сборке, обслуживании и ремонте.
Сущность предлагаемого технического решения.
Заявленный технический результат достигается в горелочном устройстве, содержащем открытый сверху металлический корпус (например, стаканообразный), в котором практически соосно с ним с радиальным зазором (открытым) установлен торообразный топливный коллектор с внутренним диаметром D, выполненный с возможностью подключения к системе подачи топлива. Сверху на коллекторе установлены в направлении горения K (K≥3) топливных смесительных стволов. Каждый из стволов содержит сопло, входная часть которого герметично установлена на топливном коллекторе, и смеситель, установленный (разъемным или неразъемным соединением) на выходной части сопла.
3
3
Причем торообразный топливный коллектор, выполнен с возможностью подключения к системе подачи газообразного топлива, упомянутые стволы являются одноканальными, канал каждого из стволов заужен в выходной части сопла, а в каждом из цилиндрических смесителей на разных уровнях (на входной и выходной его части) выполнены хотя бы две группы радиальных отверстий с возможностью регулировки размеров хотя бы одной из этих групп с помощью подвижно установленной на смесителе заслонки. Радиальные отверстия служат для подачи в выходную часть канала первичного воздуха диффузионно-инжекционным способом. Упомянутый коллектор установлен на опорах. В корпусе ниже коллектора выполнены хотя бы два воздухозаборных отверстия (воздухозаборника), а торец корпуса выступает за торцы смесителей, что обеспечивает постоянный естественный приток воздуха как в зону горения, так и в смесители через радиальные отверстия и поддержание устойчивого пламени за счет дополнительного защищенного пространства над соплами для смешивания воздуха и топлива. ГУ выполнено из металлических деталей. ГУ с одним контуром горения (коллектором с контуром стволов) будем называть одноконтурным. Применение одноконтурных ГУ предпочтительнее при небольших объемах (от 0,1 м/ч до 300000 м/ч) и низких давлениях газа (до 0,1 МПа). Размеры составных частей ГУ подбираются соответственно условиям эксплуатации.
Предлагаемое в качестве изобретения ГУ является устройством диффузионно-инжекционного типа, позволяющим исключить необходимость регулирования пламени даже при существенных перепадах давления в системе подачи топлива, так как оно работает стабильно, без проскоков и отрывов пламени. Кроме того, появляется возможность эффективной утилизации ПНГ непосредственно на месторождениях, минимизации выбросов вредных веществ в атмосферу и существенной экономии топлива высокого качества (при использовании ГУ в котлах подогрева различного рода теплоносителей).
Предпочтительно, чтобы топливные смесительные стволы при K≥6 образовывали группы, расположенные на торообразном коллекторе равномерно.
Предпочтительно также, чтобы смесители были направлены к оси коллектора (ГУ) под углом α (0°<α≤40°). Это может быть достигнуто любым способом: либо установкой прямого смесительного ствола с наклоном к оси коллектора, либо изгибом сопла и/или смесителя в сторону оси коллектора.
Предпочтительно, чтобы смесительные стволы и/или смесители были выполнены съемными. Соединения могут быть выполнены любым из известных способов.
Предпочтительно, чтобы выходная часть смесителей была шире входной его части.
Предпочтительно, чтобы на воздухозаборных отверстиях, выполненных ниже коллектора, были установлены защитные решетки. Кроме того, воздухозаборные отверстия могут быть регулируемыми (например, посредством шиберов, задвижек и т.п.).
Предпочтительно, чтобы ГУ содержало установленный в корпусе с открытым радиальным зазором практически соосно упомянутому коллектору дополнительный торообразный топливный коллектор с внутренним диаметром d меньшего внутреннего диаметра по сравнению с внутренним диаметром D основного коллектора (d≤D), выполненный с возможностью подключения к упомянутой системе подачи топлива, и с L (L≥3) топливными смесительными стволами, выполненными, как описано выше. Такое ГУ будем называть двухконтурным ГУ первого типа.
Предпочтительно, чтобы ГУ было выполнено двухконтурным, и содержало установленный в корпусе с открытым радиальным зазором практически соосно упомянутому торообразному коллектору дополнительный торообразный топливный коллектор меньшего внутреннего диаметра (d≤D), выполненный с возможностью подключения к дополнительной системе подачи газообразного топлива, с L (L≥3) топливными смесительными стволами, выполненными, как описано выше. Такое ГУ будем называть двухконтурным ГУ второго типа, для подачи топливных газов, находящихся под разным давлением.
Предпочтительно, чтобы топливные смесительные стволы при L≥6 были расположены на дополнительном торообразном коллекторе равномерно группами.
внутр
внешн
Под торообразным топливным коллектором в предлагаемом техническом решении понимается следующее. Коллектор может иметь от трех до максимально возможного количества (N≥3) практически прямых полых фрагментов (участков) труб (например, круглых или профильных), соединенных между собой с получением единого замкнутого объема (на кольцо). То есть практически прямые участки торообразного коллектора могут быть выполнены, например, в виде усеченных по обоим основаниям цилиндров (из труб) либо усеченных по обоим основаниям призм (из замкнутого многогранного профиля). При этом проекцией коллектора является практически правильный выпуклый многоугольник. При увеличении числа N фрагментов коллектора, его форма в зависимости от формы фрагментов приближается к тору либо тороидальному многограннику. При выполнении фрагментов из дугообразно загнутых цилиндрических деталей возможно получение детали коллектора, максимально приближенной к открытому тору - фигуре, полученной вращением образующей окружности с радиусом г вокруг оси, лежащей в плоскости этой окружности на расстоянии R (R>r) от ее центра и не пересекающей ее (в частности, R - среднее расстояние до оси трубного фрагмента). Поэтому будем называть описываемый топливный коллектор торообразным. Внутренним радиусом тора будем называть R=R-r, а внешним R=R+r, а. При этом количество смесительных стволов K>N, и зависит от качества, объема, давления имеющегося газа, а также количества N и длины прямых участков коллектора. Например, при N=8 на каждом прямом участке может быть выполнено от одного и более стволов.
Конструкция предлагаемого устройства проста и удобна в изготовлении, при монтаже и использовании.
Далее осуществление и работа горелочного устройства будут показаны в одном из предпочтительных вариантов его исполнения.
Фиг. 1 - схематический чертеж горелочного устройства в одноконтурном исполнении с наклонными смесительными стволами. Фиг. 2 - схематический чертеж топливного смесительного ствола ГУ. Фиг. 3 - схематический чертеж горелочного устройства в двухконтурном исполнении второго типа.
1 внутр
Горелочное устройство (ГУ), изображенное на Фиг. 1, содержит корпус 1 в виде металлического цилиндра, установленного на основание (стаканообразный корпус), в стенках которого выполнены газоуравнительные отверстия 2 (воздихозаборники) - два в нижней части корпуса, практически напротив друг друга в данной реализации изобретения. Отверстия 2 защищены металлическими решетками 3. В корпусе 1 с радиальным зазором на опорах 4 выше отверстий 2 установлен торообразный топливный коллектор 5 с внутренним диаметром D=2R, соединенный с системой подачи газообразного топлива подводящим патрубком 6 через отверстие в стенке корпуса. Соосно корпусу в направлении горения установлены топливные смесительные стволы 7 (расположены равномерно, например по три в каждой из восьми групп на восьми прямых участках коллектора). Каждый из стволов содержит сопло 8 (Фиг. 2), выполненное изогнутым с одинаковым наклоном к оси ГУ (коллектора) под углом α (0°<α<40°), и цилиндрический смеситель 9. В других вариантах осуществления предлагаемого изобретения отверстия 2 могут быть выполнены на дне корпуса.
Канал смесительного ствола 10 заужен в выходной части сопла 8, а во входной части сопла и смесителе имеет одинаковый диаметр (в данной реализации изобретения). Кроме того, в цилиндрическом смесителе 9 выполнены две группы радиальных отверстий 11, выполненные равномерно по четыре в каждой группе. В данной реализации размер отверстий 11 во входной части смесителя 9 больше размера отверстий 11 в выходной его части. На смесителе установлена цилиндрическая заслонка 12 для регулировки размера одной из этих групп отверстий.
Детали ГУ изготавливают из отрезков «круглых» труб различного диаметра (они могут быть различными по длине и толщине, в зависимости от мощности горелки) с помощью, например, резки, фрезерования, литья и т.п. Соединения осуществляют, например, сваркой, врезкой, резьбовым способом. Герметичность может быть обеспечена как сваркой, так и огнеупорными прокладками.
Торообразный коллектор изготавливают в данной реализации из восьми трубных отрезков. Входную часть изогнутых сопел равномерными группами (по три на верхнюю поверхность каждого прямого участка коллектора) врезают и герметизируют сваркой. Устанавливают коллектор в корпусе, соединяют его с патрубком для подключения к системе подачи топлива, закрепляют на опорах. В других реализациях ГУ установка коллектора в корпусе может быть осуществлена любым из известных способов, например - креплением к стенкам цилиндра. На выходную часть сопел устанавливают резьбовым соединением сменные смесители с заслонками. В зависимости от расхода и давления топочного газа размеры стволов могут быть различными. В том числе диаметр сопел может быть от 2,5 мм до 10 мм, а высота смесителей - от 100 мм до 0,5 м. Устанавливают защитные решетки на воздухозаборниках. При больших размерах ГУ его сборку из готовых комплектующих возможно осуществлять на месте установки.
Готовое ГУ на месте установки подключают к системе подачи газообразного топлива. Регулируют подачу первичного воздуха заслонками 12, оставляя на смесителях 9 необходимый зазор для одной группы отверстий 11. Заслонки 12 удерживаются в заданном положении за счет трения и при разогревании смесителей не изменяют положения.
Производят продувку газом всего контура ГУ посредством подачи топлива для удаления воздуха. Розжиг ГУ производят в режиме работы на низких нагрузках посредством любого из известных запальных устройств. После выхода ГУ в штатный режим работы регулирование подачи топлива не требуется. Первичный воздух подсасывается в отверстия 11 за счет инжектирующего действия газовой струи, разрежения ее в смесителе. Вторичный воздух, необходимый для полного сжигания, поступает в ГУ к факелам пламени из окружающего пространства через газоуравнительные отверстия 2 как за счет инжектирующего действия самого факела, так и за счет разрежения в корпусе ГУ.
3
При снижении объема и давления (до значений не менее 0,1 м/ч и 0,0001 МПа) газ может поступать в смесительные стволы 7 неравномерно. Однако и в этом случае пламя поддерживается за счет устойчивого горения газа в близких к патрубку 6 смесительных стволах 7. При повышении давления отрыва пламени также не происходит за счет постепенного сжигания газа на разных уровнях смесителей 9. Таким образом, нет необходимости газорегулирующих установок перед ГУ, но лишь вентиль для запуска и прекращения работы ГУ.
2 внутр
1 внутр
Горел очное устройство (ГУ), изображенное на Фиг. 3, является двухконтурным и предназначено для подключения к двум системам подачи газообразного топлива с различными характеристиками. ГУ в данном варианте, выполнено так же, как описано выше. Кроме того, ГУ содержит дополнительный торообразный топливный коллектор 15, подключенный к дополнительной системе подачи топлива посредством патрубка 16 и установленный в корпусе 1 с открытым радиальным зазором, соосно и ниже относительно упомянутого коллектора 5. Внутренний диаметр коллектора 15 (d=2R) меньше внутреннего диаметра коллектора 5 (D=2R). На коллекторе 15 соосно корпусу в направлении горения установлено L (L≥3) топливных смесительных стволов 7, конструкция которых описана выше. Второй контур уже первого. В этом случае, в зависимости от расхода и давления газа сопла 1-го контура могут быть диаметром от 2,5 мм до 10 мм, а сопла 2-го контура - диметром от 2 мм до 8 мм, а смесители могут быть высотой от 100 мм до 0,5 м.
Изготавливают такое ГУ аналогично вышеописанному, дополнительно устанавливая на опоры 4 коллектор 15 со смесительными стволами.
3
Двухконтурные ГУ предпочтительнее при возрастании объемов газа (более 300000 м/сут) и/или наличия газа повышенного давления (от 0,1 МПа до 1,2 МПа). При этом предпочтительно, чтобы уровень стволов, в которые поступает газ более высокого давления, был ниже уровня стволов с пониженным давлением для более эффективного сгорания газов из обоих контуров. В других случаях уровень стволов существенной роли не играет.
На месте эксплуатации соединяют коллектор 5 с системой подачи топлива одного вида, а коллектор 15 - с дополнительной системой подачи топлива другого вида. Регулируют подачу первичного воздуха заслонками 12 в обоих контурах, как описано выше.
Производят продувку газом обоих контуров ГУ посредством подачи топлива. Розжиг ГУ производят в режиме подачи газа в контур с более низким давлением посредством любого из известных запальных устройств. Затем постепенно включают и увеличивают подачу газа в контуре более высокого давления. Функционирование каждого контура в двухконтурном ГУ аналогично описанному выше. При этом эффективное сгорание подаваемых газов увеличивается в связи с увеличением в двухконтурном ГУ длины факела. После выхода ГУ в штатный режим работы регулирование подачи топлива не требуется.
Несмотря на то, что конструкция горелочного устройства показана и описана на конкретных вариантах осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
3
3
Проведение полевых испытаний конструкций горелочного устройства разного размера и различного назначения (в том числе, для нефтяных и газовых месторождений при различном объеме и качестве попутного газа, а так же для бытовых нужд в условиях небольшого расхода газа - в водогрейных котлах различной мощности) показало, что во всех случаях достигается заявленный технический результат. В том числе: все устройства, независимо от размера, обеспечивают устойчивое горение (без отрывов и проскоков пламени), эффективное сжигание газа различного состава (в том числе забалластированного попутного нефтяного газа с содержанием технологических газов более 80%-98%), давления (от 0,0001 до 1,2 МПа) и поступающего объема (от 20 м/сут до 300000 и более м/сут) при минимальном регулировании подачи топлива (то есть газорегулирующих установок не требуется). Таким образом, предлагаемое горелочное устройство обеспечивает заявленный технический результат.