Факельная установка для сжигания сбросных газов

 

Изобретение относится к газосжигающему оборудованию, может быть использовано для факельного сжигания сбросных газов, преимущественно высокого давления, в процессе добычи и переработки природного газа или нефти с обеспечением повышения качества сжигания при изменении расхода сбросных газов. В факельной установке для сжигания сбросных газов, содержащей смонтированную на газопроводящем стволе факельную горелку с горелочным устройством, в корпусе которого установлена обечайка, образующая внешний и внутренний газоотводящие каналы, согласно изобретению обечайка выполнена биконической в виде прямых усеченных конусов с общим основанием, при этом выходной участок обечайки выполнен в виде конического сопла, а входной участок образован конической поверхностью с углом при вершине не менее 15^o, при этом во внутреннем канале по высоте входного участка обечайки коаксиально установлены конусообразные обечайки - турбулизаторы, основания которых закреплены на боковой поверхности обечайки, а окружности сужений проходных сечений расположены со стороны выходного среза и лежат на конической поверхности, конгруэнтной конической поверхности входного участка обечайки, соединенной с корпусом посредством кольцевого днища с газовыпускными отверстиями, суммарная площадь проходных сечений которых составляет 0,1 - 0,3 площади входного проходного сечения горелочного устройства, при этом выходной срез внутреннего канала расположен выше среза корпуса горелочного устройства, снабженного установленным с образованием кольцевого зазора с его корпусом ветрозащитным кожухом, при этом между срезами выходного участка корпуса и обечайки, а также над срезом ветрозащитного кожуха размещены дежурные горелки. 1 ил.

Изобретение относится к газосжигающему оборудованию и может быть использовано для факельного сжигания сбросных газов, преимущественно высокого давления, в процессе добычи и переработки природного газа пли нефти.

Известны факельные установки для сжигания сбросных газов, в факельные горелки которых подается сбросный газ. Горелки этих установок снабжены рассекателем газа, см., например, А.С. СССР N 775521, кл. F 23 D 14/38, 1980 г; А. С. СССР N 1370369, кл. F 23 D 14/38, 1988 г; патент Великобритании N 1460576, кл. F 4 T, 1977 г.).

Для повышения полноты и надежности сгорания сбросных газов рассекатель выполнен в виде тела Коанда, что усложняет конструкцию по горелки.

Известна также факельная установка, горелочное устройство которой содержит установленную на газоподводящем стволе факельную горелку с дежурной горелкой и запальником, см. А.С. СССР N 1663317, кл. F 23 D 14/20, 1991 г.

Наличие дежурной горелки позволяет повысить надежность работы факельной установки, однако при аварийном сбросе больших объемов качество и полнота сжигания газов снижается.

За прототип изобретения принята факельная установка с горелочным устройством, содержащим смонтированную на газоподводящем стволе факельную горелку, корпус которой разделен обечайкой на внешний и внутренний каналы, см. А.С. СССР N 1455129, кл. F 23 D 14/38).

Для повышения качества сжигания при изменении расхода сбросных газов во внешнем канале установлены поворотные заслонки, которые открываются при аварийном сбросе больших объемов газа.

Однако известная факельная установка (прототип) - ненадежна в эксплуатации из-за конструктивных недостатков, в частности поворотные узлы заслонок трудно защитить от коррозии, что приводит к быстрому их выходу из строя, заклиниванию заслонок и к аварийным ситуациям.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности и качества сжигания сбросных газов в широком диапазоне расходов.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в факельной установке для сжигания сбросных газов, содержащей смонтированную на газопроводящем стволе факельную горелку с горелочным устройством, в корпусе которого установлена обечайка, образующая внешний и внутренний газоотводящие каналы, согласно изобретению обечайка выполнена биконической в виде прямых усеченных конусов с общим основанием, при этом выходной участок обечайки выполнен в виде конического сопла, а входной участок образован конической поверхностью с углом при вершине не менее 15^o, при этом во внутреннем канале по высоте входного участка обечайки коаксиально установлены конусообразные обечайки - турбулизаторы, основания которых закреплены на боковой поверхности обечайки, а окружности сужений проходных сечений расположены со стороны выходного среза и лежат на конической поверхности, конгруэнтной конической поверхности входного участка обечайки, соединенной с корпусом посредством кольцевого днища с газовыпускными отверстиями, суммарная площадь проходных сечений которых составляет 0,1 - 0,3 площади входного проходного сечения горелочного устройства, при этом выходной срез внутреннего канала расположен выше среза корпуса горелочного устройства, снабженного установленным с образованием кольцевого зазора с его корпусом ветрозащитным кожухом, при этом между срезами выходного участка корпуса и обечайки, а также над срезом ветрозащитного кожуха размещены дежурные горелки.

Благодаря наличию на входе внешнего канала кольцевого днища, снабженного газовыпускными отверстиями, формируется периферийный газовый поток с невысокой скоростью, воспламеняемый дежурными горелками, который надежно поддерживает устойчивое горение основного потока при аварийных сбросах с большими расходами. При этом в случае увеличения скорости основного газового потока, проходящего по внутреннему каналу, происходит интенсивная турбулизация пограничного слоя струи и более интенсивный подсос воздуха через кольцевой зазор между корпусом и ветрозащитным кожухом, чем обеспечивается лучшее перемешивание выходящей свободной струи газа с атмосферным воздухом и повышается полнота и качество сжигания сбросных газов.

На чертеже представлен общий вид факельной установки.

Факельная установка содержит газоподводящий ствол 1 с факельной горелкой 2, корпус 3 которой разделен обечайкой 4 с кольцевым днищем 5 на внешний 6 и внутренний каналы 7. В кольцевом днище 5 выполнены газовыпускные отверстия 8. Обечайка 4 выполнена биконической в виде прямых усеченных конусов с общим основанием, при этом выходной участок обечайки 4 выполнен в виде конического сопла, а входной участок образован конической поверхностью с углом при вершине конуса этой поверхности не менее 15^o. Кроме того, во внутреннем канале по высоте входного участка обечайки 4 установлен ряд подобных по форме турбулизующих конусообразных (сопловых) обечаек 9, основания которых закреплены на обечайке 4, а окружности сужений, находящиеся в плоскости проходных сечений, расположены со стороны выходного среза горелки и принадлежат конусной поверхности, конгруэнтной конусной поверхности обечайки. Выходной срез внутреннего канала 7 расположен выше (на величину "а") выходного среза наружного канала 6, при этом суммарная площадь проходных сечений газовыпускных отверстий 8 составляет 0,1 - 0,3 площади проходного сечения горелочного устройства. На выходном участке корпуса 3 установлен (с образованием кольцевого зазора) ветрозащитный кожух 10. На срезе выходного участка корпуса 3 и на срезе ветрозащитного кожуха 10 установлены дежурные горелки 11 и 12.

Факельная установка работает следующим образом.

Сбросной газ высокого давления по газоподводящему стволу 1 поступает в корпус 3 факельной горелки 2, где обечайкой 4 разделяется на два потока. Основной высокоскоростной поток газа проходит но внутреннему каналу 7 и поступает в объем, ограниченный ветрозащитным кожухом 10, где, смешиваясь с воздухом, подсасываемым через кольцевой зазор, образует газовоздушную смесь. Надежное поджигание и устойчивое сгорание этого основного потока обеспечивается за счет горения периферийного низкоскоростного газового потока, который в количестве до 12% от общего объема сбросного газа поступает во внешний канал 6, дросселируется, проходя через газовыпускные отверстия 8 и, выходя при пониженном давлении со скоростью 50-100 м/с из внешнего канала 6, легко воспламеняется от дежурной горелки 11, образуя факел в виде равномерно распределенного по периметру горелки фронта пламени.

При больших расходах, при обтекании струей газа обечаек - турбулизаторов 9, образуются вихри, являющиеся источниками турбулентности. В результате вихреобразования в струе газа развиваются когерентные вихревые структуры, т. е. крупномасштабные (по отношению к поперечному сечению струи) периодические вихревые образования (сгустки завихренности), которые взаимно взаимодействуют на фоне мелкомасштабной турбулентности. Экспериментально установлено, что у среза выходного участка (выполненного в виде сопла) образуются тонкие кольцевые вихри, которые сливаются между собой с образованием более крупных кольцевых вихрей, из которых развиваются трехмерные структуры, распадающиеся в дальнейшем на беспорядочные клубки (см., например, С.М. Белоцерковский и А. С. Гиневский "Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей", издательская фирма - "Физико-математическая литература" 1995 г., с. 16-49) (1).

Турбулизация струи газа, истекающей из внутреннего канала 7, способствует интенсификации перемешивания газа с воздухом, эжектируемым из кольцевого пространства между корпусом горелки и ветрозащитным колпаком. Это приводит к образованию в объеме, ограниченном ветрозащитным кожухом 10, газовоздушной смеси, воспламеняемой от факела пламени периферийного низкоскоростного газового потока. Таким образом, даже при больших расходах в объеме, ограниченном ветрозащитным кожухом 10, успевает образоваться газовоздушная смесь, которая, воспламенясь, образует горящий слой смешения вокруг основной газовой струи. Следует отметить, что при больших расходах струя сбросного газа, истекающая из внутреннего канала 7, находится под воздействием акустических возмущений, генерируемых обечайками - турбулизаторами 9. Как отмечается в (1), см. с. 37, при акустическом облучении струи можно добиться шестикратного увеличения ее эжектирующей способности.

В предложенном устройстве этот эффект достигается путем рационального размещения по высоте внутреннего пространства обечайки 4 обечаек - турбулизаторов 9 (т.е. по существу путем настройки генератора и резонатора).

При выходе струи газа из кожуха 10 дальнейшее догорание газа происходит при интенсивном перемешивании высокоскоростного турбулизированного газового потока с окружающим атмосферным воздухом, при этом длина факела значительно меньше по сравнению с аналогичными устройствами, что обусловлено указанными выше эффектами. Дальнейшее устойчивое горение основного потока газа поддерживается также горящим потоком газа, истекающим из внешнего канала 6, который в данном случае надежно воспламеняется дежурной горелкой 12, формируя стабилизированный факел. Возможность срыва пламени на срезе внутреннего канала 7 предотвращается за счет расположения этого среза выше выходного среза внешнего канала 6. Выполнение обечайки 4 в виде конусообразной поверхности с углом при вершине образующего ее конуса не менее 15^o способствует образованию вихрей без чрезмерного "зажатия" основной струи газа, этому способствует также то, что окружности проходных сечений сужений обечаек - турбулизаторов 9 лежат на конусной поверхности, конгруэнтной поверхности обечайки 4. Кроме того, если по каким-либо чрезвычайным причинам падает подача газа в газоподводящий ствол 1, обечайки - турбулизаторы 9 в этом случае выполняют функцию ловушек холодного воздуха, аккумулируя спускающийся по стенке обечайки 4 холодный воздух в кольцевых пристеночных областях этой обечайки (в зонах примыкания к ней обечаек 9) и далее направляя избыток воздуха в центральную область горелочного устройства, где воздух подхватывается восходящим потоком газа и удаляется из ствола. Это предотвращает образование взрывоопасной смеси в газоподводящем стволе 1.

Таким образом, в предложенной факельной установке обеспечивается полное и надежное сжигание как малых, так и больших расходов сбросных газов.

Формула изобретения

Факельная установка для сжигания сбросных газов, содержащая смонтированную на газопроводящем стволе факельную горелку с горелочным устройством, в корпусе которого установлена обечайка, образующая внешний и внутренний газоотводящие каналы, отличающаяся тем, что обечайка выполнена биконической в виде прямых усеченных конусов с общим основанием, при этом выходной участок обечайки выполнен в виде конического сопла, а входной участок образован конической поверхностью с углом при вершине не менее 15°, при этом во внутреннем канале по высоте входного участка обечайки коаксиально установлены конусообразные обечайки - турбулизаторы, основания которых закреплены на боковой поверхности обечайки, а окружности сужений проходных сечений расположены со стороны выходного среза и лежат на конической поверхности, конгруэнтной конической поверхности входного участка обечайки, соединенной с корпусом посредством кольцевого днища с газовыпускными отверстиями, суммарная площадь проходных сечений которых составляет 0,1-0,3 площади входного проходного сечения горелки, при этом выходной срез внутреннего канала расположен выше среза корпуса горелки, снабженной установленным с образованием кольцевого зазора с корпусом ветрозащитным кожухом, при этом между срезами выходного участка и обечайки, а также над срезом ветрозащитного кожуха размешены дежурные горелки.

РИСУНКИ

Рисунок 1