Многогорелочная закрытая факельная установка, способ сжигания газа на этой установке и устройство горелки многогорелочной закрытой факельной установки Российский патент 2024 года по МПК F23G7/06 

Изобретение относится к способу сжигания газа на многогорелочной закрытой факельной установке, оснащенной факельными газовыми горелками бездымного горения, предназначенной для вынужденной утилизации попутного нефтяного газа высокого давления при большом диапазоне расходов периодических и аварийных сбросов в процессе освоения и пробной эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений.

Известно, что бездымное сжигание газов на традиционных факельных установках возможно только в узком расчетном диапазоне расхода газа (как правило, минимального постоянного расхода). При расширении диапазона расхода газа (до определенного предела) бездымное сжигание газов обеспечивается принудительной подачей энергоресурсов (пара или(и) воздуха, или(и) воды). (Стрежевский И.И., Эльнатанов А.И. Факельные установки. Москва: Химия. - 1989 г., стр. 39, 40, 59).

Известен способ бездымного сжигания газа в факельных установках и устройство для его осуществления (патент RU 2328655 С1, МПК F23D 14/20, опубл. 10.07.2008), заключающийся в том, что поток газа, подаваемый для сжигания, разделяют на ряд основных струй, направляемых под углом 25-80° к оси факельной трубы, и ряд дополнительных струй, эжектируемый поток воздуха закручивают струями сжигаемого газа и стабилизаторами горения, стабилизацию горения осуществляют струями газа и стабилизаторами-завихрителями. Особенностью устройства является горелка в виде заглушенной факельной трубы с выходными основными соплами, направленными под углом к оси факельной трубы, дополнительные сопла и уголковые стабилизаторы-завихрители, причем основные сопла выполнены в виде конического кольца, образованного верхним коническим днищем и кромками факельной трубы, разделенного на сектора ребрами-стабилизаторами горения, установленными под углом 20-90° к радиальным плоскостям, и частично ограниченного снизу косынками, полуугол раствора конического днища составляет 25-80°, дополнительные круглые сопла расположены в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, и направлены под углом 25-80° к оси факельной трубы, вдоль дополнительных сопел снизу установлены уголковые стабилизаторы-завихрители, на наружных концах которых крепится кольцевой коллектор высоконапорного газа с соплами, расположенными в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой. Недостатком аналога являются конструктивная сложность и большое количество мелких элементом, возможность закупоривания отверстий сопел, недостаточная надежность из-за горения пламени непосредственно на каждом вспомогательном элементе конструкции и вероятности их прогара.

Известен способ бездымного сжигания газа в факельных установках и устройство для его осуществления (патент RU 2241905 С2, МПК F23D 14/20, опубл. 10.12.2004), в котором поток сжигаемого газа разделяют на ряд основных круглых струй с диаметром, превышающим 5 мм, направленных по касательной к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой, под углом 25-80° к оси факельной трубы. От каждой из основных струй отделяют ряд дополнительных струй под углом 0-50° к оси факельной трубы, при этом эжектируемый поток воздуха закручивают струями сжигаемого газа и полками уголковых стабилизаторов-завихрителей, расположенных вдоль основных струй газа. Стабилизацию горения осуществляют струями газа, косыми срезами основных сопел и уголковыми стабилизаторами-завихрителями. Устройство для реализации этого способа представляет собой трубу, заглушенную сверху, с рядом отверстий, в которые вварены выходные основные сопла в виде круглых патрубков с косыми срезами. Ряд дополнительных сопел выполнен по образующей патрубков перпендикулярно к их оси. Основные сопла расположены в плоскостях, касательных к цилиндрической поверхности, соосной с факельной трубой. Дополнительные сопла направлены в сторону от оси факельной трубы под углом 0-50° к ней. Вдоль основных сопел приварены уголковые стабилизаторы-завихрители.

Недостатком данного способа являются: возможность дымления при малом напоре сжигаемого воздуха (при малых скоростях истечения газа из сопел, меньших, чем 60 м/с), конструктивная сложность, обусловленная большим количеством основных и дополнительных сопел малого диаметра, а также низкий уровень надежности из-за и вероятности их прогара.

Известен способ бездымного сжигания газа на факельной установке (патент RU 2248502 С2, МПК F23C 11/00 F23D 14/20, опубл. 20.03.2005), в котором подвижное устройство, создает перепад давления в верхней части оголовка факела, обеспечивающего расчетную скорость истечения сжигаемых газов в зону сжигания.

Недостатком данного способа является то, что бездымное сжигание газов переменных расходов на факельной установке обеспечивается при повышенном давлении расчетного диапазона давлений газов в оголовке под подвижным щелевым газовым затвором (подвижным регулирующим устройством), что создает трудности при необходимости сжигания газов в системе с более низким давлением. Наличие движущегося шарнирно-рычажного механизма в оголовке приводит к заклиниванию и низкой надежности данного устройства.

Известна факельная труба (патент RU 2062950 С1, МПК F23G 7/06, опубл. 27.06.1996) для сжигания технологического газа в нефтехимической промышленности в состав которой входит блок горелок, выполненный в виде многосопловой форсунки, установленной по центру решетки со стороны входа газа, причем каждое сопло расположено соответственно на входе каждого ряда каналов решетки. Недостатком данного устройства является то, что блоки газовых горелок работают на нерасчетных режимах, при которых горение идет за пределами оптимального состава смеси, происходит срыв пламени в отдельных горелках и ухудшение полноты сгорания. Конструкция не обеспечивает стабильной работы при перепадах давления: возможны проскоки либо отрывы пламени, приводящие к аварийным ситуациям либо затуханию пламени с выбросом вредных веществ в атмосферу.

Наиболее близким аналогом заявляемой газовой горелки является факельная горелка (патент RU 2315241 С1, МПК F23D 14/20, опубл. 20.01.2008), представляющая собой корпус с соосно установленной трубой, снабженной по периферии участка, выведенного за пределы корпуса, рассекателем в виде профилированного тела, размещенным с кольцевым зазором относительно верхнего торца корпуса, при этом в трубе дополнительно установлена отсасывающая трубка, на участке трубы, установленном в корпусе, выполнены отверстия, а участок трубы, выведенный за пределы корпуса, выполнен в виде сопла Лаваля. Рассекатель выполнен в виде профилированного центрального тела вращения переменного радиуса кривизны, при этом выходная часть корпуса выполнена профилированной и вместе с профилированным центральным телом образует профилированное кольцевое критическое сечение, а выходные участки трубы и трубки расположены в выходной части профилированного центрального тела. Недостатками данного устройства сжигания продувочных газов является сложность конструкции, состоящей из трудоемких в изготовлении профилированных деталей.

Известны закрытые (наземные) факельные установки, предназначенные для бездымного сжигания сбросных газов возле поверхности земли и обеспечивающие полное сжигание при отсутствие видимого пламени, а также снижение шума и теплового излучения. Характерными особенностями конструкции закрытых факельных установок являются открытые сверху цилиндрические или конические усеченные камеры сжигания с футерованными стенками, защищающими горелочные устройства от ветрового воздействия. Одним из устройств данной конструкции является факельная закрытая установка с утилизацией тепла (патент RU 146882 U1, МПК F23D 14/00, опубл. 20.10.2014), содержащая вертикальный цилиндрический ствол большого диаметра с нижним входным и верхним выходным отверстиями, снабженный защитным покрытием, установленный с зазором по центру, блок газовых горелок в виде многосопловой форсунки, сообщенной с коллектором подвода технологического сжигаемого газа, установленным в нижнем входном отверстии. Поток сбрасываемого газа для сжигания подается по коллектору в многосопловую форсунку, где на выходе газ соединяется с воздухом, образуя горючую смесь, которая поджигается пламенем дежурной горелки.

Недостатком закрытых (наземных) факельных установок является то, что при массовых сбросах газов (периодических, эпизодических и аварийных) тепловые излучения в зоне горения могут поднять температуру внутренних конструкций, поэтому в процессе эксплуатации должен быть обеспечен контроль количества и качества воздуха, подаваемого в зону сгорания, и температуры потока дымовых газов, покидающих камеру. К недостаткам необходимо отнести высокие затраты на конструирование, изготовление и материалы для сооружения такой системы, а также устройства регулировки, обеспечивающие безопасную эксплуатацию, с поддержанием постоянной температуры сгорания.

Задача предлагаемого изобретения - обеспечение бездымного сжигания сбросного газа переменных расходов в процессе освоения и пробной эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений.

Технический результат достигается за счет заявляемого устройства многогорелочной закрытой факельной установки, содержащий трубопровод подачи газа, газовые и дежурные горелки, при этом газовые горелки смонтированы секциями, при этом каждая секция содержит кольцевой и продольные коллекторы, на подводящих к секциям входных трубопроводах предусмотрены отсечные клапаны, при этом многогорелочная закрытая факельная установка снабжена блоком системы измерения количества и качества газа и блоком розжига.

Технический результат достигается за счет заявляемого способа сжигания газа на многогорелочной закрытой факельной установке, заключающегося в том, что поток газа, подаваемый для сжигания, направляется на наземный блок газовых горелок. Подключение необходимого количества секций блока газовых горелок в зависимости от изменения расхода и давления сбросного газа, поступающего на сжигание, обеспечивается с помощью блока системы измерения количества и качества газа, от которого команды управления поступают на приводы отсечных клапанов, установленных на входных трубопроводах перед секциями газовых горелок, при этом дистанционный розжиг и бесперебойная работа дежурных горелок осуществляется по двум алгоритмам системы розжига с помощью эжекционных узлов с электроискровым зажиганием или с помощью бегущего огня газовоздушной смеси, подготовленной в блоке розжига, контроль наличия огня у дежурных горелок обеспечивается термопарами и видеокамерой.

Технический результат достигается за счет заявляемого устройства газовой горелки, включающей корпус, оголовок, центральное отверстие, дросселирующие отверстия, кольцевой зазор. Корпус и оголовок соединены резьбовым соединением, оголовок имеет коническую форму в виде тела обтекания со срезом в верхней части, при этом газовая горелка в собранном виде содержит гарантированный конический кольцевой зазор, с создаваемым эффектом Коанда, и перепадом давления на срезе, с создаваемым сверхзвуковым эффектом, обеспечивающим бездымное горение сбросного газа.

Для поддержания постоянного горения предусмотрены 2 дежурные горелки. Организована автоматизированная система контроля наличия огня у дежурных горелок термопарами и видеокамерой.

Входящий в состав многогорелочной закрытой факельной установки (далее - МЗФУ) блок розжига, располагается за территорией блока газовых горелок. В блоке розжига размещается запорно-регулирующая арматура, воздушный компрессор, смеситель подготовки газовоздушной горючей смеси для системы розжига. Для осуществления способа сжигания газа на МЗФУ разработаны и осуществлены два алгоритма системы розжига:

- розжиг с помощью бегущего огня газовоздушной смеси, поступающей от смесителя в блоке розжига по трубопроводам к дежурным горелкам;

- розжиг газовоздушной смеси с помощью эжекционных узлов, расположенных в блоке газовых горелок, с электроискровыми запальниками, закрепленных непосредственно на дежурных горелках.

Высокий уровень надежности и безопасности способа сжигания сбросного газа обеспечивается за счет применения автоматизированной системы управления процессом переключения режимов блока газовых горелок. Рабочий расход и рабочее давление газа, подаваемого на сжигание, фиксируется в системе управления с помощью блока системы измерения количества и качества газа (далее - СИКГ), от которого команды управления (отключения/подключения) поступают на приводы отсечных клапанов, установленных на входных трубопроводах перед секциями блока газовых горелок. Весь рабочий процесс МЗФУ осуществляется дистанционным контролем и управлением с верхнего уровня. Для оперативного регулирования предусмотрен контроль и управление с поста местного управления.

Технический результат бездымного сжигания достигается также за счет устройства факельной газовой горелки. Расчет и математическое моделирование газовой горелки на стадии разработки конструкции, позволили точно моделировать поведение пламени и бездымное горение сбросного газа.

Газовая горелка состоит из двух деталей тел вращения с резьбовым соединением: корпус и оголовок. Корпус выполнен в форме стакана, в основании корпуса выполнено отверстие для поступления газа из коллектора секции. В корпус горелки ввернут оголовок, в виде тела обтекания конической формы. По оси оголовка вертикально вверх проходит центральное отверстие выхода газа. Перпендикулярно центральному отверстию в пространство между корпусом и оголовком выполнены дросселирующие отверстия. В собранном виде конструктив газовой горелки предусматривает гарантированный кольцевой зазор расчетной величины между конической поверхностью оголовка и фаской стенки корпуса. Инновационная конструкция горелки с оптимизированной гидродинамикой потоков газа, позволяет уменьшить высоту пламени факела, обеспечивая высокую эффективность сгорания газовоздушной смеси и получения, таким образом, очень низких значений СО и NOx на выходе после термического окисления сбросного газа. Газовая горелка непрерывного горения продолжает гореть при любых атмосферных условиях.

Сущность изобретения поясняется графическими изображениями Фиг. 1, Фиг. 2,

Фиг. 3.

На Фиг. 1 изображена принципиальная схема МЗФУ.

На Фиг. 2 изображен фрагмент секции кольцевого коллектора газового блока с опускными трубами и газовыми горелками.

на Фиг. 3 изображена газовая горелка (в разрезе).

На графический изображениях Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 приведены следующие обозначения:

1 - трубопровод подачи газа;

2 секция кольцевого коллектора;

3 продольный коллектор;

4 - опускная труба;

5 - газовая горелка;

6 - блок СИКГ;

7 клапан отсечной;

8 - дежурная горелка;

9 блок розжига;

10 корпус газовой горелки;

11 - оголовок газовой горелки;

12 - центральное отверстие газовой горелки;

13 дросселирующие отверстия газовой горелки;

14 - пространство между корпусом и оголовком газовой горелки;

15 - кольцевой конический зазор.

На Фото-1 показан снимок действующей МЗФУ, введенной в эксплуатацию на одном из нефтегазоконденсатных месторождений.

Предлагаемый способ сжигания газа на многогорелочной закрытой факельной установке реализуется следующим образом. В качестве примера приводится МЗФУ с квадратной формой секции кольцевого коллектора по 49 газовых горелок в каждой. Предназначенный для сжигания, сбросной газ по трубопроводу (1) поступает на блок газовых горелок, состоящий из 4 секций кольцевого коллектора (2) квадратной формы, внутри каждой секции вварены по 5 продольных коллекторов (3). На кольцевых и продольных коллекторах на равных расстояниях вварены вертикальные опускные трубы (4) с газовыми горелками (5). Управление (отключение/подключение) секций блока газовых горелок происходит на основании замеров параметров расхода и давления сбросного газа в блоке СИКГ (6). Команда на (открытие/закрытие) подается на приводы отсечных клапанов (7), смонтированных на входных трубопроводах перед секциями.

Количество задействованных секций кольцевых коллекторов зависит от параметров расхода и давления поступающего газа с сепарационной установки. МЗФУ обеспечивает работу по следующим режимам:

Одним из основных элементов безопасной работы МЗФУ являются универсальные дежурные горелки (8) с непрерывным дистанционным контролем наличия пламени. Надежная работа дежурных горелок обеспечивается автоматической системой управления, размещенной в блоке розжига (9).

Предлагаемая газовая горелка бездымного сжигания работает следующим образом. Поток сбросного газа, предназначенный для сжигания, из коллекторов секции (2) и (3) через вертикальную опускную трубу (4) поступает в корпус газовой горелки (10), в который ввернут оголовок (11). Внутри газовой горелки поток газа разделяется на два потока: основной поток газа, поступающий по центральному отверстию (12) к срезу оголовка и дополнительный поток газа, поступающий из дросселирующих отверстий (13) в пространство между корпусом и оголовком газовой горелки (14). Дополнительный поток газа направляется через кольцевой конический зазор (15), выходя из которого, вследствие возникающего эффекта Коанда, «прилипает» к конической поверхности оголовка. Газ, смешиваясь с воздухом, направляется вдоль конусной поверхности вверх к срезу оголовка. Кольцевой поток газовоздушной смеси обеспечивает стабилизацию пламени над горелкой и исключает затухание горелки. На срезе выхода основного потока газа создается перепад давления, поэтому возникает сверхзвуковой эффект основного потока газовой струи, чем обеспечивается зазор между горящей газовоздушной смесью и оголовком, за счет этого исключается «облизывание» газовой горелки пламенем.

Заявляемая группа изобретений позволяет на ранней стадии разработки нефтяных и газоконденсатных месторождений оперативно ввести в работу мобильную установку подготовки нефти с термическим обезвреживание газов на многогорелочной закрытой факельной установке при невозможности осуществления технологических процессов переработки попутного нефтяного газа и сбросных газов.

Представленные конструктивные решения устройства газовой горелки бездымного сжигания газа, состоящей из двух деталей тел вращения, обеспечивающих, высокую эффективность сгорания газа с минимальными значениями остаточных вредных примесей в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу, соответствуют критерию «Изобретательский уровень».

В связи с тем, что техническое решение способа сжигания сбросного газа на многогорелочной закрытой факельной установке смонтировано и введено в эксплуатацию на одном из осваиваемых газоконденсатных месторождений России (Фото -1), предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания газа на многогорелочной закрытой факельной установке, содержащей дежурные горелки, газовые горелки, содержащие оголовок, который имеет коническую форму в виде тела обтекания со срезом в верхней части, при этом газовая горелка в собранном виде содержит гарантированный конический кольцевой зазор с создаваемым эффектом Коанда и перепадом давления на срезе, с создаваемым сверхзвуковым эффектом, заключающийся в том, что поток газа, подаваемый для сжигания, направляется на наземный блок газовых горелок, при этом подключение необходимого количества секций блока газовых горелок в зависимости от изменения расхода и давления сбросного газа, поступающего на сжигание, обеспечивается с помощью блока системы измерения количества и качества газа, от которого команды управления поступают на приводы отсечных клапанов, установленных на входных трубопроводах подачи газа перед секциями газовых горелок, при этом дистанционный розжиг и бесперебойная работа дежурных горелок осуществляется по двум алгоритмам системы розжига с помощью эжекционных узлов с электроискровым зажиганием или с помощью бегущего огня газовоздушной смеси, подготовленной в блоке розжига, контроль наличия огня у дежурных горелок обеспечивается термопарами и видеокамерой. Технический результат - обеспечение бездымного сжигания сбросного газа переменных расходов в процессе освоения и пробной эксплуатации нефтяных и газоконденсатных месторождений. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газовая горелка многогорелочной закрытой факельной установки, содержащая корпус, оголовок, центральное отверстие, дросселирующее отверстие, кольцевой зазор, отличающаяся тем, что корпус и оголовок соединены резьбовым соединением, оголовок имеет коническую форму в виде тела обтекания со срезом в верхней части, при этом газовая горелка в собранном виде содержит гарантированный конический кольцевой зазор с создаваемым эффектом Коанда и перепадом давления на срезе, с создаваемым сверхзвуковым эффектом.

2. Многогорелочная закрытая факельная установка, содержащая трубопровод подачи газа, дежурные горелки, газовые горелки, содержащие оголовок, который имеет коническую форму в виде тела обтекания со срезом в верхней части, при этом газовая горелка в собранном виде содержит гарантированный конический кольцевой зазор с создаваемым эффектом Коанда и перепадом давления на срезе, с создаваемым сверхзвуковым эффектом, при этом газовые горелки смонтированы секциями, а каждая секция содержит кольцевой и продольные коллекторы, на подводящих к секциям входных трубопроводах предусмотрены отсечные клапаны, при этом многогорелочная закрытая факельная установка снабжена блоком системы измерения количества и качества газа и блоком розжига.

3. Многогорелочная закрытая факельная установка по п. 2, отличающаяся тем, что в блоке розжига размещается запорно-регулирующая арматура, воздушный компрессор, смеситель подготовки газовоздушной горючей смеси для системы розжига.

4. Способ сжигания газа на многогорелочной закрытой факельной установке по п. 2, содержащей дежурные горелки, газовые горелки, содержащие оголовок, который имеет коническую форму в виде тела обтекания со срезом в верхней части, при этом газовая горелка в собранном виде содержит гарантированный конический кольцевой зазор с создаваемым эффектом Коанда и перепадом давления на срезе, с создаваемым сверхзвуковым эффектом, заключающийся в том, что поток газа, подаваемый для сжигания, направляется на наземный блок газовых горелок, при этом подключение необходимого количества секций блока газовых горелок в зависимости от изменения расхода и давления сбросного газа, поступающего на сжигание, обеспечивается с помощью блока системы измерения количества и качества газа, от которого команды управления поступают на приводы отсечных клапанов, установленных на входных трубопроводах подачи газа перед секциями газовых горелок, при этом дистанционный розжиг и бесперебойная работа дежурных горелок осуществляется по двум алгоритмам системы розжига с помощью эжекционных узлов с электроискровым зажиганием или с помощью бегущего огня газовоздушной смеси, подготовленной в блоке розжига, контроль наличия огня у дежурных горелок обеспечивается термопарами и видеокамерой.