Устройство для сжигания газа Российский патент 2025 года по МПК F23G7/06 

Изобретение относится к устройствам для сжигания аварийных, постоянных и периодических выбросов горючего газа и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности.

Известен оголовок факельной трубы (патент RU № 2285863, МПК F23G 7/06, опубл. 20.10.2006), содержащий газоподающую трубу с газовым затвором и защитный экран, установленный снаружи и коаксиально на верхнем конце газоподающей трубы, при этом защитный экран выполнен из двух перегородок в виде двух усечённых конусов, установленных друг на друга соосно и неподвижно, верхняя из которых обращена большим основанием вниз, нижняя-большим основанием вверх, а малым основанием соединена с газоподающей трубой, при этом боковая поверхность нижней перегородки выполнена из уголков, установленных по образующей конуса с зазором относительно друг друга и обращённых вершинами уголков наружу, при этом линия соединения больших оснований перегородок верхней и нижней расположена на уровне среза газоподающей трубы.

Недостатками конструкции данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции устройства, связанная с наличием двух перегородок в виде двух усечённых конусов, установленных друг на друга соосно и неподвижно. Кроме того, эти перегородки технически трудоёмки в изготовлении и, как следствие, высокая себестоимость изготовления устройства;

- во-вторых, низкая надёжность, обусловленная нестабильным горением факела. Это связано с тем, что при прямоточном истечении из круглой полой трубы (диффузионное горение) частицы газа двигаясь под действием сил инерции, по выходу из оголовка почти не меняют своего направления. Подсос кислорода из окружающей среды происходит за счет диффузии в малых объёмах, и фронт горения получается растянутым. Известно, что скорость горения для углеводородных газов при коэффициенте избытка воздуха α=1 составляет от 0,67 м/с до 0,85 м/с. При скорости движения газа на срезе факельного оголовка меньше от 0,67 м/с происходит «затягивание пламени (иногда называют подсосом пламени)» и факел тухнет;

- в-третьих, низкая эффективность работы, связанная с невозможностью регулирования пламени оголовка факельной трубы при изменении объёма подачи газа в газоотводную трубу, т.е. конструкция факельного оголовка рассчитана строго на определенное количество газа, сжигаемого на единицу времени.

Также известен оголовок факельной трубы (патент RU № 2371637, МПК F23G 7/06, опубл. 27.10.2009), включающий газоподающую трубу и стабилизатор пламени в виде пустотелого геометрического тела, установленного на верхнем конце газоподающей трубы, при этом стабилизатор расположен коаксиально снаружи газоподающей трубы, под стабилизатором соосно и с зазором установлен стакан с центральным и периферийным отверстиями в донышке, причем центральным отверстием стакан укреплен на газоподающей трубе, а в периферийное отверстие вмонтирован поршневой акустический нагнетатель воздуха, при этом стабилизатор выполнен в виде цилиндра, при этом нижняя кромка стабилизатора расположена ниже, а верхняя его кромка - выше верхней кромки газоподающей трубы, диаметр стабилизатора больше диаметра стакана.

Недостатками конструкции данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции устройства, связанная с наличием поршневого акустического нагнетателя воздуха технически трудоёмкого в изготовлении, и как следствие, высокая себестоимость изготовления устройства;

- во-вторых, низкая надёжность, обусловлена нестабильным горением факела. Это связано с тем, что при прямоточном истечении из круглой полой трубы (диффузионное горение) частицы газа двигаясь под действием сил инерции, по выходу из оголовка почти не меняют своего направления. Подсос кислорода из окружающей среды происходит за счет диффузии в малых объёмах и фронт горения получается растянутым. Известно, что скорость горения для углеводородных газов при коэффициенте избытка воздуха α=1 составляет от 0,67 м/с до 0,85 м/с. При скорости движения газа на срезе факельного оголовка меньше от 0,67 м/с происходит «затягивание пламени (иногда называют подсосом пламени)» и факел тухнет;

- в-третьих, низкая эффективность сжигания газа, вследствие того, что исключён дополнительный подсоса воздуха при работе устройства (закачка воздуха обеспечивается только поршневым акустическим нагнетателем);

- в-четвёртых, невозможность регулирования оголовка факельной трубы при изменении объёма подачи газа в газоотводную трубу, т.е. конструкция факельного оголовка рассчитана строго на определенное количество газа, сжигаемого на единицу времени;

- в-пятых, низкий ресурс работы устройства связанный с выходом из строя поршневого нагнетателя, вследствие возвратно поступательных перемещений поршня.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является оголовок факельной трубы (патент RU № 2604245, МПК F23G 7/06, опубл. 10.12.2016), включающий газоподающую трубу и стабилизатор пламени, выполненный в виде цилиндра и установленный снаружи на верхнем конце газоподающей трубы, стакан, установленный под стабилизатором соосно и с зазором, а диаметр стабилизатора пламени больше диаметра стакана, при этом нижняя кромка стакана расположена ниже верхней кромки газоподающей трубы, а верхняя кромка стакана расположена выше верхней кромки газоподающей трубы, причем нижняя кромка стабилизатора пламени расположена ниже верхней кромки стакана, но выше нижней кромки стакана, при этом соотношение площади поперечного сечения газоподающей трубы к площади кольцевого пространства между стаканом и газоподающей трубой составляет 1:4, при этом в верхней кромке стакана жестко установлена крышка с центральным отверстием, а в центральном отверстии крышки концентрично размещено сопло со сменной насадкой, причем площадь проходного сечения кольцевого пространства между стаканом и стабилизатором пламени составляет от 30 до 70% площади кольцевого пространства между стаканом и газоподающей трубой, при этом стабилизатор пламени сверху над сменной насадкой оснащен кольцевыми лопатками с углом наклона 70-75°.

Недостатками конструкции данного устройства являются:

- во-первых, сложность обслуживания устройства из-за невозможности регулирования проходного диаметра сопла в процессе работы, так как при увеличении или снижении объема сжигаемого газа необходимо демонтировать устройство для замены сопла на сопло большего или меньшего диаметра соответственно;

- во-вторых, низкая эффективность работы устройства при больших (высоких) объёмах - Qв и низких объёмах - Qв сжигания. При больших объемах сжигания газа лопатки стабилизатора пламени препятствуют попаданию воздуха в стабилизатор пламени для поддержания горения, что приводит к нехватке кислорода (воздуха) внутри стабилизатора пламени и, следовательно, происходит неполное сгорание, с образованием угарного газа, и наоборот при малых объёмах сжигания газа и постоянной подаче воздуха пламя тухнет и сгорания не происходит, что приводит к необходимости замены сопла на меньший диаметр проходного сечения;

- в-третьих, низкая надёжность работы устройства при сильных порывах ветра, обусловленная нестабильным горением факела, при этом происходит разрыв пламени и, как следствие, неполное сжигание газа в стабилизаторе пламени.

Техническим результатом изобретения является упрощение обслуживания устройства, повышение эффективности и надёжности работы устройства.

Технический результат достигается устройством для сжигания газа, включающим газоподающую трубу и стабилизатор пламени, выполненный в виде цилиндра и установленный коаксиально снаружи газоподающей трубы, стакан, крышку с центральным отверстием и сопло.

Новым является то, что стабилизатор пламени сверху оснащён кожухом, имеющим возможность радиального вращения относительно стабилизатора пламени, при этом крышка внутри жестко соединена со стабилизатором пламени, причём газоподающая труба оснащена нижним и верхним рядами продольных пазов, причём на наружной поверхности газоподающей трубы ниже и выше нижнего ряда радиальных отверстий выполнены верхняя и нижняя резьба, при этом газоподающая труба нижней резьбой ввернута в стабилизатор пламени, оснащённый снизу продольными сквозными отверстиями для подачи воздуха, причём сопло ввернуто в центральное отверстие крышки сверху, а верхний конец газоподающей трубы ввёрнут в центральное отверстие крышки снизу, при этом на газоподающей трубе ниже крышки концентрично оси газоподающей трубы установлен стакан, перекрывающий снаружи верхний ряд продольных сквозных пазов газоподающей трубы, при этом стакан снизу упёрт в регулировочную гайку, навернутую на верхнюю резьбу газоподающей трубы, причем стакан имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз при вращении регулировочной гайки в сторону нижнего конца верхней резьбы газоподающей трубы с частичным или полным открытием верхнего ряда продольных сквозных пазов газоподающей трубы, при этом сопло имеет внутреннюю кольцевую выборку, в которой размещено разрезное пружинное кольцо, имеющее возможность сжатия с уменьшением проходного диаметра сопла, причём сжатие разрезного пружинного кольца осуществляется при помощи крепёжных винтов, вворачиваемых в резьбовые радиальные отверстия, выполненные в сопле, при этом снаружи на насадку концентрично установлена полая втулка, оснащённая радиальными отверстиями под крепёжные винты.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для сжигания газа при среднем объёме подачи газа в газоподающую трубу.

На фиг. 2 схематично изображено устройство для сжигания газа при низком объёме подачи газа в газоподающую трубу.

На фиг. 3 схематично изображено устройство для сжигания газа при высоком объёме подачи газа в газоподающую трубу.

На фиг. 4 схематично изображен вид А сверху устройства для сжигания газа.

На фиг. 5 схематично изображено сечение Б-Б устройства для сжигания газа.

На фиг. 6 схематично изображен вид В, увеличенная развёртка паза устройства для сжигания газа.

Устройство для сжигания газа включает газоподающую трубу 1 (см. фиг. 1-3) и стабилизатор пламени 2, выполненный в виде цилиндра и установленный коаксиально снаружи газоподающей трубы 1, стакан 3 (см. фиг. 1-3, 6), крышку 4 (см. фиг. 1-4) с центральным отверстием 5 (см. фиг. 1-3) и сопло 6 (см. фиг. 1-5) диаметром dс.

Стабилизатор пламени 2 сверху оснащён кожухом 7 (см. фиг. 1-4), имеющим возможность радиального вращения относительно стабилизатора пламени 2. Кожух 7 выполнен в виде половины полого цилиндра (180 градусов). Например, нижний конец полого цилиндра установлен в круглый паз (на фиг. 1-3 показано условно), выполненный на наружной поверхности стабилизатора пламени 2 с возможностью вращения.

Крышка 4 внутри жестко соединена со стабилизатором пламени 2. Газоподающая труба 1 оснащена верхним рядом 8 (см. фиг. 1-3, 6) продольных сквозных пазов, например, шириной а=6 мм и высотой H=20 мм в количестве 4 штук, и нижним рядом 9 (см. фиг. 1-3) радиальных отверстий, выполненных диаметром d=8 мм в количестве четырёх штук.

На наружной поверхности газоподающей трубы 1 ниже и выше нижнего ряда радиальных отверстий 9 выполнены верхняя 10 (см. фиг. 1-3) и нижняя 11 резьба.

Газоподающая труба 1 нижней резьбой 11 ввернута в стабилизатор пламени 2, оснащённый снизу продольными сквозными отверстиями 12 для подачи воздуха, например в количестве шести штук.

Сопло 6 ввернуто в центральное отверстие 5 крышки 4 сверху, например с помощью резьбового соединения (на фиг. 1-3 показано условно), а верхний конец газоподающей трубы 1 ввёрнут в центральное отверстие 5 крышки 4 снизу, например с помощью резьбового соединения (на фиг. 1-3 показано условно).

На газоподающей трубе 1 ниже крышки 4 концентрично оси газоподающей трубы 1 установлен стакан 3, перекрывающий снаружи верхний ряд 8 продольных сквозных пазов газоподающей трубы 1. Стакан 3 снизу упёрт в регулировочную гайку 13 (см. фиг. 1-3), навернутую на верхнюю резьбу газоподающей трубы 1.

Стакан 3 имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз при вращении регулировочной гайки 13 в сторону нижнего конца верхней резьбы 10 газоподающей трубы 1 с частичным на высоту - h или полным на высоту - H открытием верхнего ряда 8 продольных сквозных пазов газоподающей трубы 1.

Сопло 6 имеет внутреннюю кольцевую выборку 14 (см. фиг. 1-3, 5). Во внутренней кольцевой выборке 14 сопла 6 размещено разрезное пружинное кольцо 15 (см. фиг. 1-5), имеющее возможность сжатия с уменьшением проходного диаметра dc сопла 6.

Сжатие разрезного пружинного кольца 15 осуществляется при помощи крепёжных винтов 16 (см. фиг. 1-3, 5), например в количестве 4 штук, под углом 90° между собой (см. фиг. 2 и 5), вворачиваемых в резьбовые радиальные отверстия 17 (см. фиг. 1-3, 5), выполненные в сопле 6.

Снаружи на сопло 6 концентрично установлена полая втулка 18 (см. фиг. 1-3, 5), оснащённая радиальными отверстиями 19 (в количестве четырёх штук как указано выше) под крепёжные винты 16.

Устройство для сжигания газа работает следующим образом.

На дожимных насосных станциях (ДНС) в газоподающую трубу 1 устройства для сжигания газа подаётся газ с различными суточными объемами добычи (от низкого до высокого). Примем суточный объем подачи газа Q изменяющимся в пределах: от 500 м³/сут до 3500 м³/сут.

Перед запуском устройства в работу подбирают диаметр dс сопла 6 (см. фиг. 1-3) Диаметр dс сопла 6 подбирается опытным путём в зависимости от среднесуточного объема Qс подачи газа в устройство для сжигания газа через газоподающую трубу 1.

Например, в газоподающую трубу 1 (см. фиг. 1) подаётся газ в среднесуточном объеме подачи газа: Qс=1500-2000 м³/сут. Применяют сопло 6 с проходным каналом диаметром dс=1,8 см=18 мм=0,018 м, что определяется опытным путём на испытательном стенде.

Сначала с наветренной стороны устройства (см. фиг. 4) устанавливают кожух 7, т.е. вращением кожуха 7 относительно стабилизатора пламени 2 устанавливают его наружной стороной со стороны направления (движения) ветра. Наветренная сторона - обращена туда, откуда дует ветер.

Сжигаемый газ подается по газоподающей трубе 1 (см. фиг. 1) и на выходе из сопла 6 поджигается дежурной горелкой. Газ, поступающий в устройство для сжигания газа через газоподающую трубу 1, при попадании в сопло 6 инжектируется необходимым количеством воздуха, поступающего внутрь газоподающей трубы 1 через поперечные продольные отверстия 12 стабилизатора пламени 2 и нижний ряд 9 радиальных отверстий в газоподающей трубе 1. Так происходит сгорание газа при суточном объёме Qс=1500-2000 м³/сут.

При снижении суточного объёма подачи газа в газоподаваемую трубу 1, например в диапазон Qн=500-1500 м³/сут происходит избыточная подача воздуха в газоподающую трубу 1 через поперечные продольные отверстия 12 стабилизатора пламени 2 и нижний ряд 9 радиальных отверстий в газоподающей трубе 1, что понижает стабильность пламени из-за переизбытка воздуха и может привести к его затуханию. Поэтому вворачивают крепёжные винты 16 (см. фиг. 2 и 5) в количестве 4 штук в резьбовые радиальные отверстия 17, сопла 6, при этом разрезное пружинное кольцо 15 сжимается и перемещается радиально внутрь выходя из внутренней кольцевой выборки 14 сопла 6. Например проходной диаметр сопла 6 благодаря разрезному пружинному кольцу 15 сужается в диапазоне от

dс ˃ dсн≥0,5×dс,

При условии, как указано выше dс = 18 мм, то согласно вышеуказанному неравенству dс ˃ dсн≥0,5×dс, т.е. 18 мм ˃ dсн≥0,5×18 мм или 18 мм ˃ dсн ≥9 мм.

Таким образом при снижении суточного объёма подачи газа в газоподаваемую трубу 1 в диапазоне Qн=500-1500 м³/сут, например до 600 м³/сут примем dсн=10 мм.

В результате диаметр проходного отверстия сопла 6, установленного на верхнем конце газоподающей трубы 1, составляет 10 мм, что при подаче Qн=600 м³/сут гарантированно обеспечивает стабильное сжигание газа без переизбытка подаваемого воздуха и без затухания пламени, так как при уменьшении проходного диаметра сопла 6 до dсн=10 мм газ, подаваемый по газоприёмной трубе, в объёме Qн=600 м³/сут инжектируется необходимым количеством воздуха, поступающего внутрь газоподающей трубы 1 через поперечные продольные отверстия 12 стабилизатора пламени 2 и нижний ряд 9 радиальных отверстий в газоподающей трубе 1.

И, наоборот, при повышении суточного объёма подачи газа в газоподаваемую трубу 1 в диапазоне Qв от 2500 м³/сут до 3500 м³/сут на входе в сопло 6, с увеличением давления газа, подаваемого по газоподводящей трубе 1 возрастает разряжение, что требует увеличения количества подсасываемого воздуха, необходимого для стабильного горения и полного сгорания газа при увеличении подачи газа в газоподающую трубу 1, например Qв=3200 м³/сут.

С этой целью отворачивают регулировочную гайку 13 (см. фиг. 3) по резьбе 10, при этом стакан 3 смещается вниз относительно неподвижной газоподающей трубы 1. В результате верхний ряд 8 продольных сквозных пазов газоподающей трубы 1 в количестве 4 штук открывается на высоту h = 12 мм.

Газ, поступающий в устройство для сжигания газа через газоподающую трубу 1 (см. фиг. 3 и 6), при попадании в сопло 6 инжектируется необходимым количеством воздуха, поступающего внутрь газоподающей трубы 1 через поперечные продольные отверстия 12 стабилизатора пламени 2 и одновременно через нижний ряд 9 радиальных отверстий в количестве 4 штук (как указано выше диаметром: d=8 мм) и верхний ряд 8 продольных сквозных пазов в количестве 4 штук (как указано выше шириной а=6 см и высотой h=12 мм). Так происходит сгорание газа при суточном объёме Qв=3200 м³/сут.

Упрощается обслуживание устройства, так как устройство позволяет оперативно путём вворота и отворота крепежных винтов регулировать пропускной диаметр сопла dсн (см. фиг. 3 и 1), что исключает демонтаж устройства для замены сопла 6. Таким образом экономятся финансовые и материальные затраты на обслуживание устройства.

Повышается эффективность работы устройства:

- при снижении объема подачи газа: Qн от 500 до 1500 м³/сут в газоподающую трубу 1 заворотом крепежных винтов 16 в сопло 6 регулируется проходной диаметр сопла с dс под dсн, в диапазоне от dсн≥0,5×dс, как указано выше dсн=9 мм т.е. под сниженный объем газа - Qн, подаваемый в газоподающую трубу, что определяется опытным путем на испытательном стенде.

- при высоких объёмах подачи газа Qв от 2000 до 3500 м³/сут, вследствие того, что устройство оснащено верхним рядом продольных сквозных пазов происходит дополнительный регулируемый подсос воздуха с помощью стакана и гайки при работе устройства в зависимости от объёма газа, подаваемого в газоподающую трубу.

Таким образом, устройство позволяет эффективно сжигать газ, т.е. обеспечить полное сгорание без образования угарного газа при увеличении объёма подачи газа в газоподающую трубу и без потери (тушения) пламени при снижения объёма подачи газа в газоподающую трубу.

Регулируемый подсос воздуха в газоподающую трубу обеспечивается осевым перемещением стакана по газоподающей трубе и фиксацией снизу стакана гайкой в результате чего открывается верхний ряд продольных сквозных пазов в количестве четырех штук частично на высоту - h или полностью на высоту – Н, в зависимости от объёма газа, подаваемого в газоподающую трубу. Величина частично на высоту - h или полностью на высоту – Н открытия верхнего ряда продольных сквозных пазов для дополнительного подсоса воздуха в зависимости от увеличения подачи объёма газа – Qв в газоподающую трубу определяется опытным путём на испытательном стенде. В целом устройство позволяет регулировать работу в большом диапазоне объема сжигаемого газа от 500-3500 м³/сут.

Наличие кожуха, имеющего возможность радиального вращения относительно стабилизатора пламени, устанавливаемого с наветренной стороны устройства, что позволяет снизить влияние сильного ветра на пламя, образуемое при сжигании газа и тем самым исключить разрыв пламени и обеспечить полное сжигание газа в стабилизаторе пламени.

Предлагаемое устройство для сжигания газа позволяет:

- упростить обслуживание устройства в процессе его работы;

- повысить надежность работы;

- повысить эффективность работы.

Изобретение относится к устройствам для сжигания аварийных, постоянных и периодических выбросов горючего газа и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности. Устройство для сжигания газа включает газоподающую трубу и стабилизатор пламени, выполненный в виде цилиндра и установленный коаксиально снаружи газоподающей трубы, стакан, крышку с центральным отверстием и сопло. Стабилизатор пламени сверху оснащён кожухом, имеющим возможность радиального вращения относительно стабилизатора пламени, при этом крышка внутри жестко соединена со стабилизатором пламени, причём газоподающая труба оснащена нижним и верхним рядами продольных пазов, причём на наружной поверхности газоподающей трубы ниже и выше нижнего ряда радиальных отверстий выполнены верхняя и нижняя резьба, при этом газоподающая труба нижней резьбой ввернута в стабилизатор пламени, оснащённый снизу продольными сквозными отверстиями для подачи воздуха, причём сопло ввернуто в центральное отверстие крышки сверху, а верхний конец газоподающей трубы ввёрнут в центральное отверстие крышки снизу, при этом на газоподающей трубе ниже крышки концентрично оси газоподающей трубы установлен стакан, перекрывающий снаружи верхний ряд продольных сквозных пазов газоподающей трубы, при этом стакан снизу упёрт в регулировочную гайку, навернутую на верхнюю резьбу газоподающей трубы, причем стакан имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз при вращении регулировочной гайки в сторону нижнего конца верхней резьбы газоподающей трубы с частичным или полным открытием верхнего ряда продольных сквозных пазов газоподающей трубы, при этом сопло имеет внутреннюю кольцевую выборку, в которой размещено разрезное пружинное кольцо, имеющее возможность сжатия с уменьшением проходного диаметра сопла, причём сжатие разрезного пружинного кольца осуществляется при помощи крепёжных винтов, вворачиваемых в резьбовые радиальные отверстия, выполненные в сопле, при этом снаружи на насадку концентрично установлена полая втулка, оснащённая радиальными отверстиями под крепёжные винты. Техническим результатом изобретения является упрощение обслуживания устройства, повышение эффективности и надёжности работы устройства. 6 ил.

Устройство для сжигания газа, включающее газоподающую трубу и стабилизатор пламени, выполненный в виде цилиндра и установленный коаксиально снаружи газоподающей трубы, стакан, крышку с центральным отверстием и сопло, отличающееся тем, что стабилизатор пламени сверху оснащён кожухом, имеющим возможность радиального вращения относительно стабилизатора пламени, при этом крышка внутри жестко соединена со стабилизатором пламени, причём газоподающая труба оснащена нижним и верхним рядами продольных пазов, причём на наружной поверхности газоподающей трубы ниже и выше нижнего ряда радиальных отверстий выполнены верхняя и нижняя резьба, при этом газоподающая труба нижней резьбой ввернута в стабилизатор пламени, оснащённый снизу продольными сквозными отверстиями для подачи воздуха, причём сопло ввернуто в центральное отверстие крышки сверху, а верхний конец газоподающей трубы ввёрнут в центральное отверстие крышки снизу, при этом на газоподающей трубе ниже крышки концентрично оси газоподающей трубы установлен стакан, перекрывающий снаружи верхний ряд продольных сквозных пазов газоподающей трубы, при этом стакан снизу упёрт в регулировочную гайку, навернутую на верхнюю резьбу газоподающей трубы, причем стакан имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз при вращении регулировочной гайки в сторону нижнего конца верхней резьбы газоподающей трубы с частичным или полным открытием верхнего ряда продольных сквозных пазов газоподающей трубы, при этом сопло имеет внутреннюю кольцевую выборку, в которой размещено разрезное пружинное кольцо, имеющее возможность сжатия с уменьшением проходного диаметра сопла, причём сжатие разрезного пружинного кольца осуществляется при помощи крепёжных винтов, вворачиваемых в резьбовые радиальные отверстия, выполненные в сопле, при этом снаружи на насадку концентрично установлена полая втулка, оснащённая радиальными отверстиями под крепёжные винты.