ПЕРЕДВИЖНАЯ КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F22B27/06 

Предлагаемое изобретение относится к области оборудования для генерирования насыщенного водяного пара и, в частности, представляет собой передвижной парогенератор на жидком топливе, предназначенный, например, для использования в нефтегазодобывающей отрасли при разработке нефтяных и газовых месторождений для закачки пара в пласт с целью увеличения нефтеотдачи, для выполнения технологических операций по депарафинизации, отогрева оборудования при ремонте и освоении скважин, обогрева производственных и жилых помещений промыслов и т.д.

Известна передвижная паровая установка ППУ-2, имеющая прямоточный котел змеевикового типа с принудительной циркуляцией воды посредством питательного насоса. Нагрев воды и парообразование осуществляется сжигаемым жидким топливом с подачей воздуха, распыливаемым форсункой, в которую оно подается топливным насосом.

Агрегат снабжен также водяным и топливным баками и сепаратором для отделения воды от пара. Часть полученного пара после сепаратора направляется в змеевики для подогрева топлива и воды в баках (см. сборник "Нефтяное оборудование". Том 3. Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, Москва, 1960 год).

Известна "Установка промысловая передвижная ППУА" (каталог деталей и сборочных единиц, Москва, Внешторгиздат, 1980 год), также снабженная паровым прямоточным котлом с принудительной подачей воды, нагреваемым жидким топливом, подаваемым топливным насосом из топливного бака. Имеется водяной бак, в который возможна подача пара, задалживаемого из линии потребителя, для подогрева воды периодически при открытии соответствующего крана.

Известна транспортабельная котельная установка (свидетельство на полезную модель №21643 от 03 мая 2001 года), имеющая прямоточный паровой котел на жидком топливе с форсункой, вентилятором, водяным и топливным насосами, водяным и топливным баками, имеющая систему подогрева топлива, включающую полый корпус, в котором размещен спиральный трубопровод, сообщенный с нагревателем парового котла посредством трубопровода, задалживающего часть пара, идущего к потребителю.

Известен котлоагрегат, работающий на жидком топливе, КПА-500Ж, предназначенный для выработки насыщенного водяного пара, используемого для технологических и бытовых нужд ("Паровые и водогрейные котлы". Справочное пособие, НПО ОБТ, Москва, 1995), состоящий из прямоточного змеевикового котла, работающего под избыточным давлением в топке, создаваемым вентилятором, и имеющий водяной и топливный насосы, бак питательной воды, топливный бак.

Пар из змеевикового котла поступает в сепаратор и далее - к потребителю. Конденсат, отделенный сепаратором, через фильтр и конденсатоотводчик возвращается в бак питательной воды, нагревая его. Этот агрегат может быть принят за прототип заявляемого технического решения.

Спецификой передвижной парогенераторной установки, в особенности, работающей на нефтяных и газовых промыслах в условиях Крайнего Севера, является удаленность от баз заправки подготовленной водой (очищенной от механических примесей, химически обработанной и деаэрированной) и топливом и ограниченные возможности увеличения объема водяного и топливного баков.

В связи с этим особенно актуальными являются технические решения, повышающие общий коэффициент полезного действия (КПД) агрегата, позволяющие сократить расход воды путем повышения степени сухости насыщенного пара, сократить расход топлива при получении тех же энергетических показателей, увеличить долговечность быстроизнашивающихся деталей оборудования (например, насосов).

Основными недостатками описанных выше агрегатов являются следующие. Ряд котлоагрегатов не имеют сепараторов, в результате чего степень сухости пара не превышает 60...70% мас., то есть излишний расход воды составляет 30...40%. Другие агрегаты не имеют систем предварительного подогрева воды и топлива, направленного на повышение КПД и обеспечение полного сгорания. В установках, оборудованных сепаратором и конденсатоотводчиком, осуществляется подогрев конденсатом воды в баке. Если агрегат вырабатывает пар с высокими параметрами (температура и давление), то конденсат после конденсатоотводчика при расширении частично испаряется, поэтому бак быстро нагревается до кипения, что создает проблемы для персонала, способствует быстрому выходу из строя уплотнений насоса, который вынужден перекачивать горячую воду. Кроме того, в силу специфики передвижного агрегата, единовременно расходуется только часть воды, а нагревается весь бак, емкость которого в среднем составляет 5 м³, таким образом, КПД установки в целом снижается. В некоторых установках осуществляется подогрев воды и топлива в баках посредством змеевиков, по которым проходит пар, задалживаемый из линии потребителя, что также снижает КПД установки.

Наибольшая величина КПД в приведенных выше агрегатах не превышает 81...85%, кроме того, из-за неполного сгорания топлива наблюдается быстрое закоксовывание форсунок его распыла и ухудшение экологических показателей отходящих продуктов горения в связи с их более высокой температурой, достигающей 300...350°С.

Таким образом, основной задачей заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков известных конструкций и создание такой передвижной котельной установки на жидком топливе, которая обеспечила бы: снижение расхода воды за счет повышения до 95% мас. сухости пара, подаваемого потребителю; повышение КПД до 94% за счет предварительного подогрева воды без затрат энергии пара, направляемого потребителю; улучшение экологических показателей и сокращение расхода топлива за счет его подогрева и, в связи с этим, лучшего его распыления и перемешивания с нагнетаемым в топку воздухом; повышение долговечности деталей насоса.

Для решения поставленной задачи передвижная котельная установка на жидком топливе включает прямоточный котел змеевикового типа, водяной и топливный баки, водяной питательный насос, топливный насос, горелочное устройство с форсунками механического распыла, высоконапорный топочный вентилятор, сепаратор с конденсатоотводчиком, систему подогрева топлива.

Отличительной особенностью котельной установки является то, что выход конденсатоотводчика соединен с входом горячего контура двухсекционного высоконапорного теплообменного аппарата типа "труба-в-трубе", выход которого соединен с водяным баком котельной установки. Холодный контур теплообменника состоит из двух изолированных друг от друга секций, вход первой из которых соединен с напорной линией питательного насоса, выход первой секции соединен с входом змеевиков котла, вход второй секции холодного контура теплообменника соединен с напорной линией топливного насоса, а выход второй секции соединен с форсунками горелочного устройства. Каждая секция теплообменника выполнена в виде U-образной трубы холодного контура, в прямых концах которой жестко и герметично закреплена U-образная труба горячего контура меньшего диаметра, расположенная внутри трубы холодного контура. Причем между трубами холодного и горячего контуров в зоне их 180-градусного перегиба имеется радиальный зазор, величина которого больше разницы линейных термических деформаций холодного и горячего контуров; концы горячих контуров секций, не связанные с водяным баком и конденсатоотводчиком, соединены между собой герметично.

Сепаратор выполнен прямоточным двухступенчатым в виде цилиндрического корпуса с боковым вводом пароводяной смеси (насыщенного пара) посредством Г-образной трубы, конец которой расположен по оси корпуса ниже завихрителя. Завихритель выполнен в виде заторможенного вентиляторного колеса. Вентиляторное колесо расположено внутри перфорированной гильзы, коаксиально размещенной относительно корпуса сепаратора. Между гильзой и выходным отверстием для пара в верхнем торце корпуса наклонно расположен набор сеток.

Возможность осуществления заявленного технического решения следует из последующего описания.

Отличительные признаки формулы изобретения необходимы и достаточны для ее реализации, поскольку обеспечивают решение поставленной задачи: сокращение расхода воды за счет повышения сухости пара, повышение КПД установки, улучшение экологических показателей, сокращение расхода топлива, повышение долговечности деталей питательного насоса при обеспечении предварительного подогрева воды после насоса.

Заявленное техническое решение поясняется примером его исполнения, изображенным на прилагаемых чертежах:

фиг.1 - гидропневматическая схема передвижной котельной установки;

фиг.2 - конструкция двухсекционного высоконапорного теплообменного аппарата в разрезе;

фиг.3 - продольный разрез прямоточного двухступенчатого сепаратора.

Передвижная котельная установка (фиг.1) включает: паровой прямоточный котел змеевикового типа 1: горелочное устройство 2 с форсунками механического распыла 3 и электромагнитными клапанами 4; водяной бак 5; выходной кран 6; фильтр 7; водяной питательный насос 8; датчик наличия потока 9 в водяной линии; двухсекционный высоконапорный теплообменник типа "труба-в-трубе" 10; входной кран 11; выходной регулировочный вентиль 12; прямоточный двухступенчатый сепаратор 13 с конденсатоотводчиком 14; топочный высоконапорный вентилятор 15; регулировочный вентиль 16 на выходе из горячего контура теплообменного аппарата; топливный бак 17; выходной вентиль 18 из топливного бака; фильтр грубой очистки 19; топливный насос 20; "байпасный" регулировочный вентиль 21 в топливной магистрали; расходомер топлива 22; фильтр тонкой очистки 23.

Двухсекционный высоконапорный теплообменный аппарат (фиг.2) состоит из: водонагревательной секции 24 и топливонагревательной секции 25. Каждая секция имеет U-образную форму и состоит из U-образной трубы холодного контура 26, в которой размещена U-образная труба 27 горячего контура. Труба горячего контура жестко (посредством сварки) закреплена в торцевых заглушках 28 трубы холодного контура. В U-образном загибе между трубами имеется зазор S, величина которого больше разницы тепловых линейных деформаций (удлинений линейных участков) горячего и холодного контуров. Горячие контуры секций последовательно соединены U-образным съемным патрубком 30. Конец горячего контура 31 водяной секции соединен с выходом из конденсатоотводчика 14 (фиг.1), свободный конец горячего контура топливной секции 32 соединен через регулировочный вентиль 16 (фиг.1) с водяным баком 5. Так как вода должна подогреваться до большей температуры, чем топливо, то, как следует из описания, водяная секция располагается выше по потоку горячего теплоносителя, чем топливная. Поэтому вода от насоса 8 (фиг.1) подается в штуцер 33 холодного контура и выходит через штуцер 34, который соединен со входом в змеевики котла. Топливо от насоса 20 подается в штуцер 35 и выходит через штуцер 36, который соединен через электромагнитные клапаны 4 с форсунками 3. Течение холодных (вода и топливо) и горячего (конденсат) теплоносителей в теплообменном аппарате - противоточное (навстречу друг другу), что обеспечивает максимальную тепловую эффективность.

В зависимости от расхода и требуемой температуры водяных и топливных секций может быть две, три и т.д. Причем горячие контуры всех секций соединены последовательно - так же, как и холодные, водяные или топливные. Такая конструкция теплообменника может быть весьма компактной по длине и диаметру при весьма значительной общей длине теплопередающей поверхности. Отсутствие корпусных деталей позволяет работать при весьма высоком давлении, которое имеет место на выходе водяного насоса.

Известны кожухотрубные теплообменники, состоящие из кожуха и пучка труб, закрепленных в решетках, для создания двух проточных каналов. Основным недостатком такого теплообменника, применительно к мобильным котельным установкам, являются значительные поперечные габариты, низкие допустимые давления в кожухе и весьма сложные устройства для компенсации разницы температурных деформаций труб и кожуха. Известны спиральные теплообменники, имеющие также значительные габариты и еще более низкое допустимое давление. Пластинчатые теплообменные аппараты также рассчитаны на низкое давление. Теплообменники типа "труба-в-трубе" наиболее близки к заявляемой конструкции и рассчитаны на значительные давления. Известные конструкции состоят, в основном, из нескольких секций внутренних U-образных труб, соединенных последовательно, и нескольких секций прямолинейных наружных труб. Торцевые кольцевые заглушки наружных труб соединены либо жестко с внутренними трубами, если разность температур горячего и холодного теплоносителей невелика, либо посредством сальников, если разность температур велика (для компенсации термических деформаций). При этом изогнутые участки внутренних труб с двух сторон не участвуют в процессе теплопередачи. Кроме того, сальниковый узел проблематичен из-за сложности конструкции и ограничения допустимой температуры уплотнительных материалов ("Промышленная теплоэнергетика и теплотехника", Справочник, Энергоатомиздат, г.Москва, 1983 год, стр.100...130).

На фиг.3 изображен прямоточный двухступенчатый сепаратор, состоящий из корпуса 37 с теплоизоляцией 38, Г-образной трубы 39 для подвода пароводяной смеси, перфорированной гильзы 40, расположенной коаксиально относительно корпуса, завихрителя в виде заторможенного вентиляторного колеса 41, наклонного набора сеток 42, предназначенного для отделения остаточных капель воды и сброса их в нижнюю часть сепаратора, где собирается конденсат. Осушенный пар выводится через штуцер 43, конденсат - через штуцер 44, который соединен со входом конденсатоотводчика 14 (фиг.1).

Работа котельной установки осуществляется следующим образом. Вода из бака 5 (фиг.1) через открытый кран 6, датчик наличия потока 9 и фильтр 7 поступает на вход насоса 8, который нагнетает воду в холодный контур водяной секции теплообменного аппарата 10. Нагретая вода через входной кран 11 поступает на вход змеевиков котла 1, где производится нагрев и парообразование. Полученная пароводяная смесь поступает в сепаратор 13, в котором происходит разделение паровой и водяной фракций. Пар из сепаратора 13 через регулировочный вентиль 12 поступает к потребителю. Посредством вентиля 12 осуществляется регулирование параметров пара: давления и температуры. Конденсат из сепаратора 13 периодически отводится посредством конденсатоотводчика 14 и направляется на вход горячего контура теплообменника 10. Проходя по горячему контуру конденсат нагревает воду, нагнетаемую в котел, и топливо, нагнетаемое к форсункам 3 горелочного устройства 2. Топливо нагнетается насосом 20, на вход которого оно поступает из бака 17 через кран 18 и фильтр грубой очистки 19. Топливо далее прокачивается через полость расходомера и холодный контур топливной секции теплообменника 10. Выход насоса также связан через "байпасный" вентиль 21 с топливным баком, благодаря чему осуществляется регулирование расхода и давления топлива. После теплообменника нагретое топливо поступает на вход двух электромагнитных клапанов 4. Посредством клапанов осуществляются три энергетических режима работы котла: при включении первого клапана топливо поступает в одну форсунку, при включении второго клапана топливо поступает в две форсунки, при включении двух клапанов топливо поступает в три форсунки.

Регулировочный вентиль 16 на выходе из горячего контура теплообменника позволяет поддерживать в нем определенное давление, предотвращая тем самым мгновенное парообразование из конденсата при его переходе в зону низкого давления (после конденсатоотводчика). Нагретое в теплообменнике топливо эффективно распыливается, смешивается с воздухом, поступающим в топку, и более полно сгорает. При этом снижается температура отходящих газов из топки котла и, таким образом, повышается экологичность установки.

Так как вода, поступающая в змеевики котла, подогрета до 70...80°С, то снижается суммарный расход топлива на получение пара благодаря более раннему началу парообразования и снижению энергетических затрат.

В отличие от прототипа, в котором осуществляется подогрев конденсатом всего объема воды в водяном баке (хотя весь объем может и не использоваться в конкретной технологической операции), в заявляемом техническом решении осуществляется нагрев воды конденсатом в теплообменнике непосредственно перед котлом и после водяного насоса. Благодаря этому повышается КПД установки, так как не затрачивается тепловая энергия на нагрев большого объема неиспользуемой воды в баке. Кроме того, повышается долговечность деталей насоса, работающего при более низких температурах. Тепловая энергия конденсата затрачивается также на нагрев топлива, что улучшает качество его распыления в механических форсунках, снижает расход и улучшает экологические характеристики котельной установки.

Двухступенчатый прямоточный сепаратор, в отличие от одноступенчатого (шнекового) в прототипе, повышает степень сухости пара, что способствует уменьшению расхода подготовленной воды.

Актуальность перечисленных преимуществ заявляемого технического решения повышается с учетом специфики передвижных котельных установок, в особенности применяемых на нефтяных и газовых промыслах, работающих в условиях Крайнего Севера при значительном удалении от баз снабжения.

Изобретение предназначено для генерирования пара и может быть использовано в нефтегазодобывающей отрасли и для обогрева помещений. Котельная установка на жидком топливе, включающая прямоточный котел змеевикового типа, водяной и топливный баки, водяной питательный насос, топливный насос, горелочное устройство с форсунками механического распыла, топочный вентилятор и сепаратор с конденсатоотводчиком. Выход конденсатоотводчика соединен с входом горячего контура двухсекционного теплообменного аппарата типа "труба-в-трубе", выход которого соединен с водяным баком котельной установки, холодный контур теплообменного аппарата состоит из двух изолированных друг от друга секций, вход первой из которых соединен с напорной линией водяного питательного насоса, выход первой секции соединен с входом змеевиков котла, вход второй секции холодного контура теплообменного аппарата соединен с напорной линией топливного насоса, а выход второй секции соединен с форсунками горелочного устройства. Изобретение обеспечивает повышение КПД установки. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Передвижная котельная установка на жидком топливе, включающая прямоточный котел змеевикового типа, водяной и топливный баки, водяной питательный насос, топливный насос, горелочное устройство с форсунками механического распыла, топочный вентилятор, сепаратор с конденсатоотводчиком, отличающаяся тем, что она содержит систему подогрева топлива и холодной воды, при этом выход конденсатоотводчика соединен с входом горячего контура двухсекционного теплообменного аппарата типа "труба-в-трубе", выход которого соединен с водяным баком котельной установки, холодный контур теплообменного аппарата состоит из двух изолированных друг от друга секций, вход первой из которых соединен с напорной линией водяного питательного насоса, выход первой секции соединен с входом змеевиков котла, вход второй секции холодного контура теплообменного аппарата соединен с напорной линией топливного насоса, а выход второй секции соединен с форсунками горелочного устройства.2. Котельная установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая секция теплообменного аппарата выполнена в виде U-образной трубы холодного контура, в прямых концах которой жестко и герметично закреплена U-образная труба горячего контура меньшего диаметра, расположенная внутри трубы холодного контура, причем между трубами холодного и горячего контуров в зоне их 180-градусного перегиба имеется радиальный зазор, величина которого больше разницы линейных термических деформаций холодного и горячего контуров; концы горячих контуров секций, не связанные с водяным баком и конденсатоотводчиком, соединены между собой герметично.3. Котельная установка по п.1, отличающаяся тем, что сепаратор выполнен прямоточным двухступенчатым в виде цилиндрического корпуса с боковым вводом пароводяной смеси посредством Г-образной трубы, конец которой расположен по оси корпуса ниже завихрителя в виде вентиляторного колеса, которое расположено внутри перфорированной гильзы, коаксиально размещенной относительно корпуса, между гильзой и выходным отверстием для пара в верхнем торце корпуса наклонно расположен набор сеток.