ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СЖИГАНИЯ МНОГОФАЗНОЙ ГОРЮЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2024 года по МПК F23D14/20 F23G7/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к многофазным горелочным устройствам. В частности, данное изобретения относится к горелочному устройству, содержащему поверхности Коанда для сжигания отходящих газов, образующихся на объектах нефтегазовой промышленности.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В уровне техники имеются решения, направленные на использование горелочных устройств с поверхностями Коанда для сжигания отходящих газов.

В патенте GB 2523020 предлагается факел для сжигания скважинных флюидов из резервуара, содержащий: подающую трубу, выполненную с возможностью гидравлического сообщения с резервуаром, так что поток скважинных флюидов проходит через подающую трубу, причем подающая труба включает в себя внутреннюю поверхность подающей трубы и выпускной конец подающей трубы; и корпус раструба, проходящий вдоль оси тела раструба, при этом корпус раструба включает в себя: шток, расположенный внутри подающей трубы и проходящий по существу соосно вдоль оси тела раструба, при этом шток имеет внешнюю поверхность штока, отстоящую от внутренней поверхности подающей трубы для образования кольцевого зазора между ними; и головку, имеющую профилированную внешнюю поверхность, при этом головка включает в себя переходную секцию, соединенную со штоком и включающую кольцевую выпуклость, проходящую по окружности вокруг внешней поверхности переходной секции и выступающую наружу от внешней поверхности переходной секции, при этом выпуклость по существу совмещена в осевом направлении с кольцевым зазором.

Это решение имеет ряд недостатков, среди которых наличие значительного количества жидкой фазы во внешнем канале, проблема обмерзания каналов, снижения диапазона температур работы горелки при использовании при низких температурах, вероятность блокировки каналов мусором, находящимися в потоке горючей текучей среды, повышенный эрозионный износ, отсутствие элементов, которые эффективно дробят жидкость, имеющуюся в многофазном потоке, возможность поступления жидкости, имеющейся в многофазном потоке во внешний канал внутреннего сопла, пониженная стабилизация пламени, повышенный общий уровень шума горелочного устройства.

Также известно решение US 10288283, в котором раскрыта многофазная горелка для сжигания газожидкостных горючих смесей. Горелка может включать полое основание с впускным отверстием для приема горючей газожидкостной смеси, а также дальний конец, который может быть соединен с колпачком сопла или образует его. Колпачок сопла может служить первым выпускным отверстием. Основание может быть соединено с центральным корпусом и полой втулкой, которая окружает по меньшей мере часть центрального корпуса. Основание может образовывать горловину, расположенную между впускным отверстием и центральным корпусом. Горловина может сообщаться с первым проходом, который проходит от горловины до первого выпускного отверстия и между втулкой и дистальным концом основания. Горловина может сообщаться со вторым проходом, который проходит от горловины до второго выпускного отверстия и между втулкой и центральным корпусом.

Это решение также имеет ряд недостатков, среди которых наличие значительного количества жидкой фазы во внешнем канале, проблема обмерзания каналов, снижения диапазона температур работы горелки при использовании при низких температурах, вероятность блокировки каналов мусором, находящимися в потоке горючей текучей среды, повышенный эрозионный износ, отсутствие элементов, которые эффективно дробят жидкость, имеющуюся в многофазном потоке, возможность поступления жидкости, имеющейся в многофазном потоке во внешний канал внутреннего сопла, пониженная стабилизация пламени, повышенный общий уровень шума горелочного устройства.

Соответственно в уровне техники имеется необходимость в создании горелочного устройства с поверхностями Коанда для сжигания отходящих газов, образующихся на объектах нефтегазовой промышленности, которое позволит исключить наличие значительного количества жидкой фазы во внешнем канале, позволит избежать проблемы обмерзания каналов, увеличит диапазон температур работы горелки при использовании при низких температурах, понизит вероятность блокировки каналов мусором, находящимися в потоке горючей текучей среды, снизит эрозионный износ, обеспечит возможность эффективного дробления жидкости, имеющейся в многофазном потоке, снизит возможность поступления жидкости, имеющейся в многофазном потоке во внешний канал внутреннего сопла, повысит стабилизацию пламени, снизит общий уровень шума горелочного устройства.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с заявленным изобретением предложено горелочное устройство с поверхностями Коанда для сжигания отходящих газов, образующихся на объектах нефтегазовой промышленности, содержащее: наружное сопло, содержащее горловину чаши и чашу; двухконтурное сопло, содержащее по меньшей мере внутренний контур и внешний контур; при этом, внешний контур содержит участок, перпендикулярный оси горелочного устройства; при этом двухконтурное сопло содержит вкладыш сопла, снабженный зубьями, образованными вырезами так, что перпендикуляр, опущенный от основания выреза, не попадает в участок внешнего контура, перпендикулярный оси горелочного устройства. Также предложен способ сжигания многофазной горючей текучей среды с использованием горелочного устройства, в котором: присоединяют горелочное устройство к трубопроводу переносящему многофазную горючую текучую среду; обеспечивают прохождение многофазной горючей текучей среды через наружное сопло и двухконтурное сопло, содержащее внутренний контур и внешний контур; обеспечивают отделение во внешний контур по меньшей мере части горючей газообразной текучей среды из многофазной горючей текучей среды; обеспечивают смешивание и сжигание по меньшей мере части многофазной горючей текучей среды проходящей через наружное сопло, по меньшей мере части газообразной текучей среды, проходящей во внешним контуре и по меньшей мере части жидкой текучей среды и части газообразной текучей среды, проходящей во внутреннем контуре.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее варианты осуществления заявленного изобретения описываются более подробно, посредством чертежей, на которых показано:

Фиг.1 представлен общий вид горелочного устройства

Фиг.2 представлены основные элементы горелочного устройства.

Фиг.3 представлена схематическая конструкция внутреннего сопла.

Фиг.4 представлена схематическая конструкция вкладыша внутреннего сопла.

Фиг.5 представлена схематическая конструкция клина

Фиг.6 представлена схематическая конструкция защитного экрана.

Фиг.7 представлено разделение потока многофазной горючей текучей среды во внутреннем сопле

Фиг.8 показано расположение вкладыша внутреннего сопла относительно внешнего канала двухконтурного сопла.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В соответствии с заявленным изобретением предложено горелочное устройство с поверхностями Коанда для сжигания отходящих газов, образующихся на объектах нефтегазовой промышленности.

Общий вид горелочного устройства (100) представлен на фиг.1. Горелочное устройство (100) присоединяется к трубопроводу (101), по которому поступает многофазная горючая текучая среда. Трубопровод (101) оканчивается двумя коаксиальными соплами - наружным соплом (102), условно называемым соплом Коанда и двухконтурным соплом (103), условно называемым двухконтурным соплом. Термины «Коанда» и «в форме Коанда» обычно понимаются специалистами в данной области техники как определение геометрии тела раструба, которая способствует струе жидкости плотно прилегать к поверхности тела раструба. Поверхность Коанда также можно назвать имеющей форму тюльпана, поскольку гладкая концентрическая геометрия имитирует форму этого цветка. Несмотря на это, этот тип явления, как и в раскрытых здесь вариантах реализации, может присутствовать или может быть достигнут без типичной формы Коанда или формы тюльпана.

Двухконтурное сопло (103) содержит два коаксиальных контура, внутренний контур (104) и внешний контур (105) которые затем снова сходятся на конце двухконтурного сопла (103).

На Фиг.2 представлено наружное сопло (102), содержащ горловину (106) чаши и чашу (107). Поток горючей текучей среды, проходит по трубопроводу (101) и попадает на выход (108) наружного сопла (102), проходя через ступеньку (109) горловины (106) чаши. Горловина (106) чаши соединяется с чашей (107) через ступеньку, которая формирует полость, которая минимизирует контакт холодной части потока с поверхностью чаши. Площадка сделана в виде углубления относительно поверхности горловины (106) чаши и чаши (107), чтобы создать "карман" для бочки сверхзвуковой струи и предотвратить ее контакт с поверхностью Коанды.

Далее поток горючей текучей среды увлекается вдоль стенки чаши (107) за счет эффекта Коанды.

Для решения проблемы обледенения поверхности горловина чаши (106) содержит множество отверстий (110).

Отверстия (110) направляют газовоздушную смесь из внутренней области чаши (107) в область низкого давления непосредственно за ступенькой (109) горловины чаши (106), тем самым предотвращая возможное обледенение поверхности чаши (107).

Размер и количество отверстий (109) могут быть выбраны таким образом, чтобы они обеспечивали приток достаточного количества газовоздушной смеси к внешней поверхности чаши (107), одновременно предотвращая обратный поток жидкости во внутреннюю область чаши (107)

Такая структура позволяет «бочке» сверхзвуковой струи «отлипнуть» от поверхности чаши, что предотвращает ее выхолаживание и, как следствие, намерзание текучей среды на внешней поверхности чаши (107).

Эрозионный износ различных поверхностей сопла Коанда неоднороден.

Горловина (106) чаши изнашивается гораздо быстрее остальных частей, однако наибольший вклад в стоимость вносит чаша (107). Для снижения эксплуатационных издержек и упрощения замены изношенных эрозией деталей чаша (107) и горловина (106) чаши сделаны разборными. Чаша (107) имеет несколько перепадов (ступенек) (111), задача которых заключается в разрыве пленки жидкости. Чаша (107) снабжена зубьями (112) трапециевидной формы, треугольной формы или трапециевидной формы с треугольным вырезом, расположенными на окончании внешней поверхности чаши (107). Зубья служат для дробления пленки жидкости, а также способствуют вихреобразованию, что способствует лучшему смешению горючей текучей среды с атмосферным воздухом, улучшая качество горения и снижая акустический шум.

Внутри чаша (107) снабжается кольцевой полой секцией (125) (фиг.2) которая может набиваться шумопоглощающими наполнителями: пористым материалом, металлической ватой и т.д. Секция также предназначена для защиты внутренней полости чаши (107) от попадания и накопления жидкости, что может привести к возгоранию при останове горелочного устройства (100).

Внутреннее сопло (102) не имеет центрального тела, как это имело место в решении US 10288283, такая предложенная конструкция позволяет увеличить устойчивость устройства к эрозионному износу, а также снижает вероятность перемерзания внутреннего канала (104). Кроме того, проходной размер внутреннего канала (104) становится больше при сохранении той же площади поперечного сечения, что увеличивает устойчивость устройства к блокированию скважным мусором. Внутренний канал (104), представленный на Фиг.3, представляет собой совокупность последовательных сопел (113) Лаваля, количество этих сопел (113) варьируется от 2 до 8 в зависимости от типоразмера горелки.

Такая конструкция обеспечивает наличие внутри двухконтурного сопла (103) нескольких скачков уплотнения, которые способствуют дроблению жидкости на мелкие капли и, как следствие, их дальнейшему полному сгоранию в факеле. Также такая форма внутреннего канала (104) обеспечивает срыв жидкостной пленки со стенок канала, что также способствует улучшению качества горения. Отсутствие центрального тела, имевшегося в решении US 10288283, в целом, уменьшает образование пленки жидкости на поверхностях внутреннего канала, существенно улучшая качество дробления жидкости и снижая выпадение недогоревших капель из пламени. Внешний канал (105), образован посредством соединения корпуса (115) двухконтурного сопла (103), корпуса (116) внутреннего канала (104) и крышки (117) двухконтурного сопла (103), и представляет собой кольцевой отвод от внутреннего канала (104), который вновь сходится с ним на конце сопла.

Внешний канал (105) имеет несколько участков, на одном из них он отклоняется в основном перпендикулярно оси горелочного устройства (100), (может иметь отклонение от 10 до 30 градусов от перпендикуляра), а затем идет вдоль оси внутреннего канала (104), а затем в конечной части сужается под углом от 30° до 80° к оси горелочного устройства (100), так что поток горючей текучей среды внешнего канала (105) соединяется с потоком горючей текучей среды внутреннего канала (104). Это сделано для того, чтобы улучшить дробление жидкости на выходе из двухконтурного сопла (103). Внешний канал (105) в конечной сужающейся части также снабжен совокупностью последовательных сопел (114) Лаваля от 2 до 6 штук в зависимости от типоразмера горелочного устройства.

Соединение потоков из внешнего контура (105) и внутреннего контура (104) на сверхзвуковой скорости под углом способствует дроблению капель жидкости, а также вихреобразованию для лучшего горения.

На выходе двухконтурного сопла (103) расположены зубья (118) круглой, треугольной или трапециевидной формы. Эти зубья предназначены для разрыва пленки жидкости, попавшей во внешний канал, и заброса в поток мелких капель.

На крышке (117) двухконтурного сопла (103) с внешней стороны размещается один, два или более клиньев (119), представленных на фиг.5, которые формируют вихревое течение, предназначенное для разрезания бочокобразной структуры сверхзвукового потока, ответственной за генерацию шума, а также способствуют лучшему смешению струи с атмосферным воздухом, обеспечивая тем самым лучший поджиг смеси и стабилизацию пламени.

Размеры клиньев (119) выбраны таким образом, чтобы его кончик перекрывал выходное отверстие двухконтурного сопла на ¼ - ½ диаметра. Клин/клинья (119) входит в поток перпендикулярно оси горелки. Угол носика клина варьируется в диапазоне 10 - 60°.

Корпус (115) двухконтурного сопла (103) снабжен цилиндрическим вкладышем (120) сопла. Данный вкладыш (120) сопла служит для предотвращения попадания жидкости, находящейся в многофазной горючей текучей среде во внутренний канал (104) двухконтурного сопла (103). Посредством этого вкладыша (120) сопла газовая фаза потока многофазной горючей текучей среды отделяется от жидкой фазы потока многофазной горючей текучей среды, разворачивается и поступает в участок внешнего контура (105), перпендикулярный оси горелочного устройства (100), , в то время как жидкая фаза горючей текучей среды продолжает движение во внутреннем контуре (104), что обеспечивает улучшенную сепарацию жидкости от газа, находящихся в потоке многофазной горючей текучей среды, в результате во внешнем контуре (105) будет находиться только «сухой газ», без наличия в нем жидкой фазы.

Вкладыш (120) сопла представлен на фиг.4 и содержит в выходной своей части (по ходу потока) зубья (121), круглой, треугольной или трапециевидной формы, расположенные по периферии, кроме нижней части, где зубья отсутствуют. Это сделано для того, что пленка жидкости, содержащаяся в потоке горючей текучей среды максимально забрасывалась в центральную часть внутреннего канала (104), в то время как во внешний контур (105) поступал только газ (см. фиг.7). Пленка и капли жидкости (которой в нижней части потока больше, чем в центральной и верхней части потока) не смогут попасть во внешний контур (105) в виду того, что пленка жидкости срывается в поток каплями. В целом, конструкция сопла выполнена таким образом, чтобы минимизировать количество жидкости во внешнем контуре (105), так чтобы в нем был «сухой» газ. Газ может отбираться из внешнего контура (105) с помощью отвода (не показан) для, например, подачи в запальное или дежурное горелочное устройство.

Вкладыш (120) сопла выполнен следующим образом. Сектор в нижней части вкладыша (120) (нижняя часть относительно оси горелочного устройства по вертикальной оси перпендикулярной оси горелочного устройства) не имеющей зубьев, составляет 120°, так, что сектор в верхней части вкладыша (120) (верхняя часть относительно оси горелочного устройства по вертикальной оси перпендикулярной оси горелочного устройства) составляет 240°. Углы секторов могут варьироваться в диапазоне ±40°. В верхней части вкладыша выполнены вырезы, которые формируют зубья (121) вкладыша (120). Ширина выреза на кончике составляет 5 - 10 мм (фиг.7). Края выреза идут в направлении входа вкладыша (120) параллельно друг другу на глубину не менее 5 мм, затем начинают сходиться под углом 10-20°. В основании (124) выреза (на Фиг.8), края выреза могут сходиться в точку, либо в дугу окружности. Радиус окружности составляет 1,5-3 мм, длина - 1-2 радиуса окружности. Вырезы сделаны таким образом, что при установке вкладыша сопла перпендикуляр (123) (на Фиг.8), опущенный от основания (124) выреза, не попадает в основание внешнего канала двухконтурного сопла. Благодаря такой конструкции вкладыша газ легко попадает во внешний канал (105), в то время как жидкость имеет тенденцию к попаданию во внутренний канал (104).

Горелочное устройство (100) снабжено звукоотражающим щитом 122(фиг. 1 и фиг.6). Экран служит для защиты рабочей зоны от шума, защищает тело горелки и другие элементы от теплового излучения, а основание струи от воздействия ветра. Загнутые края позволяют снизить размер и вес щита при сохранении эффективности шумозащиты. Также загибы щита могут быть перфорированы отверстиями диаметров 3 - 10 мм, что будет способствовать снижению ветровой нагрузки на него.

По результатам полигонных огневых испытаний горелочного устройства было подтверждено:

Отсутствие обмерзания внутренних каналов горелки.

Отсутствие срывов пламени на всех рабочих режимах

Снижение недожога жидкости на 90%.

Снижение уровня шума не менее 10 dBA (на расстоянии 30 м позади горелки.

Также по результатам испытаний горелки в аэродинамической трубе было зафиксировано снижение содержания жидкости во внешнем канале на 95%.

Очевидно, что описанные выше варианты осуществления не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний изобретения. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанные выше методику и, без отхода от принципов изобретения, заявленного в формуле изобретения.

Изобретение относится к области энергетики. Горелочное устройство содержит наружное сопло, содержащее горловину чаши и чашу; двухконтурное сопло, содержащее внутренний канал и внешний канал; при этом внешний канал содержит участок, перпендикулярный оси горелочного устройства; при этом двухконтурное сопло содержит вкладыш сопла, снабженный зубьями, образованными вырезами так, что перпендикуляр, опущенный от основания выреза, не попадает в основание внешнего канала двухконтурного сопла, причем внутренний канал содержит совокупность последовательных сопел Лаваля. Наружное сопло представляет собой сопло Коанда. Горловина чаши и чаша выполнены разборными. Технический результат - исключение наличия жидкой фазы во внешнем канале, обмерзания каналов, увеличение диапазона температур работы горелочного устройства в область низких температур, снижение эрозионного износа, повышение стабилизации пламени, снижение уровня шума горелочного устройства. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Горелочное устройство, содержащее:

наружное сопло (102), содержащее горловину чаши (106) и чашу (107);

двухконтурное сопло (103), содержащее внутренний канал (104) и внешний канал (105);

при этом внешний канал (105) содержит участок, перпендикулярный оси горелочного устройства (100);

при этом двухконтурное сопло (103) содержит вкладыш (120) сопла, снабженный зубьями (121), образованными вырезами так, что перпендикуляр (123), опущенный от основания (124) выреза, не попадает в основание внешнего канала (105) двухконтурного сопла (103),

причем внутренний канал (104) содержит совокупность последовательных сопел (113) Лаваля.

2. Горелочное устройство по п.1, в котором наружное сопло (102) представляет собой сопло Коанда.

3. Горелочное устройство по п.1, в котором горловина (106) чаши и чаша (107) выполнены разборными.

4. Горелочное устройство по п.1, в котором чаша (107) содержит перепады (111), предназначенные для разрыва пленки жидкости.

5. Горелочное устройство по п.1, в котором чаша (107) содержит зубья (112), расположенные на окончании внешней поверхности чаши (107).

6. Горелочное устройство по п.1, в котором чаша (107) снабжена кольцевой полой секцией (125), в которой расположен шумопоглощающий наполнитель.

7. Горелочное устройство по п.1, в котором внешний канал (105) также содержит участок, параллельный оси внутреннего канала (104), и участок, сужающийся под углом к оси горелочного устройства (100).

8. Горелочное устройство по п.1, в котором двухконтурное сопло (103) содержит один, два или более клиньев (119), причем кончик клина/клиньев выполнен с возможностью перекрытия выходного отверстия двухконтурного сопла (103) на ¼-½ его диаметра.

9. Горелочное устройство по п.1, в котором зубья (121) вкладыша (120) сопла расположены по периферии и в верхнем секторе выхода вкладыша (120) сопла, причем верхний сектор является верхним по вертикальной оси, перпендикулярной оси горелочного устройства (100).

10. Горелочное устройство по п.1, в котором верхний сектор выхода вкладыша (120) сопла имеет угол от 200 до 280°.

11. Горелочное устройство по п.1, которое снабжено звукоотражающим щитом (122), имеющим загнутые края с отверстиями.

12. Способ сжигания многофазной горючей текучей среды, содержащий этапы:

присоединяют горелочное устройство (100) к трубопроводу (101), переносящему многофазную горючую текучую среду;

обеспечивают прохождение многофазной горючей текучей среды через наружное сопло (102) и двухконтурное сопло (103), содержащее внутренний канал (104) и внешний канал (105), при этом двухконтурное сопло (103) содержит вкладыш (120) сопла, снабженный зубьями (121), образованными вырезами так, что перпендикуляр (123), опущенный от основания (124) выреза, не попадает в основание внешнего канала (105) двухконтурного сопла (103);

обеспечивают отделение во внешний канал (105) по меньшей мере части горючей газообразной текучей среды из многофазной горючей текучей среды;

обеспечивают смешивание и сжигание по меньшей мере части многофазной горючей текучей среды, проходящей через наружное сопло (102), по меньшей мере части газообразной текучей среды, проходящей во внешнем канале (105), и по меньшей мере части жидкой текучей среды и части газообразной текучей среды, проходящей во внутреннем канале (104).