Парогенератор

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для производства пара и горячей воды. Задачей изобретения является повышение безопасности и надежности работы парогенератора, а также обеспечение высокой экономичности. Сущность изобретения в том, что парогенератор содержит пароводяную емкость, частично заполненную водой, погружную газовую горелку предварительного смешения, имеющую канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие горелки, концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию, инжекторный смеситель, регулирующие вентили кислорода и углеводородного газа. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для производства пара и горячей воды, а также может быть использовано в нефтяной промышленности для повышения эффективности добычи нефти высокой вязкости путем нагнетания в пласт парогазовой смеси, содержащей диоксид углерода.

Известно техническое решение-аналог, в соответствии с которым для нагрева воды в емкости используется размещенная в ней погружная горелка, содержащая камеру сгорания, расположенную выше уровня воды, и выходное сопло, срез которого погружен в воду (А.с. 1219874 СССР. M.Кл. F 23 D 14/44, 23.03.86).

При сжигании топлива в камере сгорания нагрев воды осуществляется за счет непосредственного контакта с ней поступающих из выходного сопла нагретых продуктов сгорания.

Основной недостаток аналога - значительная материалоемкость конструкции погружной горелки, камера сгорания и выходное сопло которой выполняются из дорогостоящих материалов, стойких к коррозии.

Другим его недостатком является недостаточно высокая эффективность. Это обусловлено тем, что в нем практически отсутствует отдача тепла лучеиспусканием от факела в камере сгорания непосредственно нагреваемой воде.

Наиболее близким аналогом изобретения, в котором устранены указанные недостатки, является парогенератор, содержащий пароводяную емкость, частично заполненную водой, погруженное в воду топливосжигающее устройство, снабженное двумя питающими патрубками, один из которых соединен с трубопроводом подачи кислорода, а другой с трубопроводом подачи водорода (патент №2018048 РФ. М.Кл. Р 22 В 1/26, 15.08.94).

В этом парогенераторе топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой диффузионной горелки, поэтому горение водорода, идущее одновременно с его перемешиванием с кислородом, в факеле, полностью погруженном в воду, вследствие охлаждения пламени водой неустойчиво и обеспечивается только благодаря постоянно работающей системе зажигания. Известный парогенератор характеризуется низкой безопасностью ввиду возможности образования, при его эксплуатации, гремучей смеси и малой надежностью из-за использования постоянно работающей системы зажигания.

Кроме того, недостатком котла является низкая экономичность, что определяется высокой стоимостью водорода.

Задачей изобретения является повышение безопасности и надежности работы парогенератора, а также обеспечение его высокой экономичности. Поставленная цель достигается тем, что известный парогенератор, содержащий пароводяную емкость, частично заполненную водой, погруженное в воду топливосжигающее устройство, снабженное двумя питающими патрубками, один из которых соединен с трубопроводом подачи кислорода, отличается тем, что второй питающий патрубок топливосжигающего устройства соединен с трубопроводом подачи углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, а топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой горелки предварительного смешения, имеющей канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие газовой горелки, погруженное в воду, а также концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию газовой горелки.

Отличительными признаками предлагаемого парогенератора является то, что второй питающий патрубок топливосжигающего устройства соединен с трубопроводом подачи углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, а топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой горелки предварительного смешения, имеющей канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие газовой горелки, погруженное в воду, а также концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию газовой горелки.

Благодаря этому повышается безопасность и надежность работы парогенератора, а также обеспечивается его высокая экономичность.

На чертеже показана функциональная схема парогенератора.

Парогенератор содержит пароводяную емкость 1, частично заполненную водой, газовую горелку предварительного смешения 2, выходное отверстие 3 которой погружено в воду, снабженную питающими патрубками 4 и 5, соединенными соответственно с трубопроводами подачи кислорода и углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, трубопроводы 6 отвода пара и 7 отвода горячей воды с установленными в них вентилями соответственно 8 и 9, подводящий водопровод 10 с вентилем 11 и систему зажигания 12. Газовая горелка 2 содержит корпус 13, имеющий канал 14 для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие 3 горелки 2, концентрично расположенную в канале 14 трубу 15 для подвода кислорода к выходному отверстию 3, инжекторный смеситель 16, регулирующие вентили кислорода 17 и 18 и углеводородного газа 19. Канал 14 для подачи газокислородной смеси состоит из входного цилиндрического участка 20, переходного конфузорного участка 21 и выходного цилиндрического участка 22. Входной цилиндрический участок 20 канала 14 через штуцер 23 соединен с выходом смесителя 16, один вход которого через регулирующий вентиль кислорода 18 соединен с питающим патрубком 4, а второй вход через регулирующий вентиль углеводородного газа 19 соединен с питающим патрубком 5.

В входном участке трубы 15 установлен штуцер 24, который через регулирующий вентиль кислорода 17 соединен с питающим патрубком 4. Выходной участок трубы 15 закреплен в корпусе 13 с помощью втулки 25, имеющей каналы 26 для прохода газокислородной смеси.

Парогенератор работает следующим образом.

Запуск парогенератора производится при частичном заполнении водой из питающего водопровода 10 через вентиль 11 емкости 1 до уровня, расположенного выше выходного отверстия 3 газовой горелки 2.

После открывания вентилей 18 и 19 кислород и углеводородный газ из питающих патрубков 4 и 5 подаются в смеситель 16. Образованная в смесителе 16 газокислородная смесь через штуцер 23 и канал 14 подается в выходное отверстие 3 газовой горелки 2. При открытом положении вентиля 17 часть кислорода из питающего патрубка 4 через штуцер 24 и трубу 15 также подается к выходному отверстию 3 газовой горелки 2. На выходе из отверстия 3 потоки газокислородной смеси и кислорода воспламеняются с помощью системы зажигания 12, которая включается на время розжига газовой горелки 2. В результате чего возникает устойчивое пламенное горение углеводородного газа в факеле, погруженном в воду.

С помощью регулирующих вентилей кислорода 17 и 18 и углеводородного газа 19 обеспечивается стехиометрическое соотношение объемов углеводородного газа и кислорода, выходящих из канала 14 и трубы 15 через отверстие 3 газовой горелки 2, чем достигается полнота сжигания углеводородного газа.

Одновременно вентилем 17 регулируют подачу кислорода в трубу 15 таким образом, чтобы скорость истечения струи кислорода из центра выходного отверстия 3 превышала скорость истечения из кольцевого зазора между трубой 15 и внутренней поверхностью канала 14 газокислородной смеси, поток которой на начальном участке после выхода из отверстия 3 сохраняет кольцевую форму. При этом наружная поверхность кольцевого потока газокислородной смеси отсекает факел, с проходящей вдоль его оси струей кислорода, от окружающей факел воды. Благодаря разрежению, которое создается вокруг струи кислорода при ее выходе из отверстия 3, происходит рециркуляция части раскаленных продуктов сгорания, отходящих от внутренней поверхности кольцевого потока, по приосевой зоне факела в обратном направлении к его корню, вследствие чего здесь создается постоянный источник воспламенения поступающей газокислородной смеси и тем самым обеспечивается непрерывное зажигание факела при выключенной системе зажигания 12. Кроме того, струя кислорода, проходящая вдоль оси факела, фокусирует его, что увеличивает протяженность факела и, следовательно, эффективность нагрева окружающей факел воды.

Сжигание углеводородного газа в факеле, погруженном в воду, приводит к повышению температуры воды и образованию пара в емкости 1. При достижении заданных параметров пара (температуры и давления) открывается вентиль 8, и пар через трубопровод 6 отводится потребителю. Одновременно от подводящего трубопровода 10 через открытый вентиль 11 производится подпитка парогенератора водой. Таким образом, в процессе работы парогенератора поддерживается постоянное значение уровня воды в емкости 1, при котором выходное отверстие 3 газовой горелки 2 остается полностью погруженным в воду.

Парогенератор может работать как в режиме производства только пара, так и в режиме производства пара и горячей воды. В последнем случае при работе парогенератора дополнительно открывается вентиль 9 трубопровода 7 отвода горячей воды.

Испытания предложенного парогенератора показали его высокую эффективность, что обусловлено практически полным использованием тепла от сгорания углеводородного газа в факеле, погруженном в воду, вследствие того что при таком нагреве воды в парогенераторе имеет место совместное действие основных видов теплопередачи воде от факела и продуктов сгорания: теплового излучения, конвекции и теплопроводности. Также в процессе нагрева используется теплота водяных паров, образовавшихся при сгорании углеводородного газа. Кроме того, высокая эффективность парогенератора обеспечивается и тем, что при контакте высокотемпературного факела с водой происходит частичный синтез генераторного газа, состоящего из оксида углерода и водорода, имеющих более высокие температуры сгорания, чем, например, пропан-бутановая смесь или природный газ. Вследствие этого полностью компенсируется снижение отдачи тепла воде лучеиспусканием от факела, вызванное его охлаждением окружающей водой.

Благодаря высокой эффективности, безопасности и надежности предложенного парогенератора возможно теплофикационное направление его использования для автономного паро- и водотеплоснабжения индивидуальных потребителей. При этом качество произведенных парогенератором пара и горячей воды за счет увеличения в них содержания диоксида углерода меняется незначительно, что вполне допустимо в теплофикации. В случае необходимости возможно проведение декарбонизации горячей воды физическими или химическими методами. Широкому применению парогенератора способствует также наличие доступных источников углеводородного газа и возможность получения кислорода в месте установки парогенератора с помощью мембранных воздухоразделительных агрегатов или турбодетандерных установок для сжижения воздуха.

Основным направлением применения парогенератора является увеличение добычи нефти высокой вязкости за счет воздействия на продуктивный пласт произведенного парогенератором пара, содержащего диоксид углерода. Проведенные исследования (см. Козлов В.Б. Экологически чистый способ добычи нефти высокой вязкости//Безопасность труда в промышленности. - 2000, №3. - С. 38-39) показали, что при нагнетании в скважину пара, содержащего диоксид углерода, обеспечивается повышение коэффициента нефтеизвлечения на 5,3% по сравнению с обычным нагнетанием пара в пласт. Кроме того, увеличивается темп вытеснения нефти, уменьшается удельный расход теплоносителя и обводненности добываемой продукции.

Формула изобретения

Парогенератор, содержащий пароводяную емкость, частично заполненную водой, погруженное в воду топливосжигающее устройство, снабженное двумя питающими патрубками, один из которых соединен с трубопроводом подачи кислорода, отличающийся тем, что второй питающий патрубок топливосжигающего устройства соединен с трубопроводом подачи углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, а топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой горелки предварительного смешения, имеющей канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие газовой горелки, погруженное в воду, а также концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию газовой горелки.

РИСУНКИ

Рисунок 1