Нагревательное устройство Советский патент 1992 года по МПК E21B43/24 

Изобретение относится к нефтедобыче, D частности к устройствам для термического воздействия на битумные и нефтяные пласты и организации внутрипластового горения.

Цель изобретения - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства.

На фиг. 1 показана схема конструкции нагревательного устройства, продольный разрез; на фиг. 2 - экспериментальная зависимость вероятности запуска нагревательного устройства (Р) от начального угла закрутки воздушной струйной завесы (ф).

Нагревательное устройство состоит из камеры 1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночной головки 3 с топливовоздушными форсунками 4 и центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливовоздушные форсунки 4 состоят из струйных форсунок 7 топлива и струйных форсунок 8 воздуха типа сопло Лаваля, в которых есть минимальное проходное сечение. Топливная магистраль 9 сообщена с форсунками 7 при помощи кольцевого коллектора 10. Между форсуночной ГОЛОЁКОЙ 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорания образован кольцевой зазор 11, в котором установлен завихритель с лопатками 12, выполненными вдоль радиуса и под углом-6-15° к продольному направлению устройства. Кольцевой зазор 11 и струйные форсунки 8 воздуха сообщаются между собой и coeдиняюtcя с подводящей магистралью 13 воздуха при помощи кольцевой полости 14.

В устройстве соотношение площадей проходных сечений кольцевой и минимальных сечений воздушных форсунок определяет температурный режим работы нагревательного устройства. Для обеспечения стабильного горения расход воздуха через форсунки 4 должен соответствовать стехиометрическому составу топливовоздушной смеси. На охлаждение стенок камеры сгорания и балластирование продуктов сгорания расходуется оставшаяся часть воздуха, проходящая через кольцевую щель 11. Расход этой части воздуха определяется из условия потребной температуры термогаза, величина которой при разработке нефтяных месторождений находится в интервале 200 600° С. Из термодинамического расчета для топливной пары керосин - воздух можно определить, что температура газа на выходе из нагревательного устройства, равная 600° С, соответствует коэффициенту избытка окислителя (отношение массовых расходов окислителя и горючего, деленного на стехиометрическое отношение) а 4. а температура 200° С соответствует а 11. Стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси соответствует а 1,0. Таким образом,

при данном диапазоне регулирования температуры газа на выходе из нагревательного устройства видно, что расход воздуха, направляемого на организацию струйной завесы, должен быть в 3-10 раз больше

расхода воздуха, идущего через форсунки на образование топливовоздушной смеси.

В связи с тем, что расход газа через отверстия при прочих равных условиях (температура и давление на входе, перепад давления на отверстии, гидравлическое сопротивление) определяется с площадью проходного (поперечного) сечения этого отверстия, поэтому площадь проходного сечения кольцевой щели 11 должна быть в 3-10

раз больше суммарной площади минимальных сечений струйных форсунок 8 воздуха. Защита и охлаждение стенок камеры сгорания нагревательного устройства осуществляется воздушной струйной пристенной завесой, которая может быть незакрученной и закрученной. Незакрученная завеса (т.е. лопатки в завихрителе установлены под углом у О к продольному направлению) надежно охлаждает стенки

камеры сгорания, но в этом случае в приосевой области камеры сгорания степень турбулентности достигает 20%. Такой высокий уровень турбулентных пульсаций интенсифицирует процессы массообмена и приводит |К обеднению топливовоздушной смеси (а 1), в результате чего снижается вероятность успешного запуска нагревательного устройства.

Закрученная завеса ( (р 0) также надежно охлаждает стенки камеры сгорания и стабилизирует течение в ней. При этом снижается степень турбулентности в приосевой области. Но в этом случае возникает возможность появления приосевого вихревого

обратного тока, продольное направление движения которого противоположно основному, т.е. движение происходит от сопла к форсуночной головке. Приосевой вихревой обратный ток снижает вероятность успешного запуска нагревательного .устройства. Во-первых, это происходит потому, что этот ток взаимодействует с топливовоздушной смесью и обедняет ее. Во-вторых, вихревой обратный ток интенсифицирует движение

вдоль оси от сопла к форсуночной головке и способствует переохлаждению спирали электрической свечи накаливания.

С целью определения оптимального начального угла закрутки пристенной завесы.

при котором надежно охлаждалась бы камера сгорания и надежно осуществлялся бы запуск, были проведены экспериментальные исследования. При этом угол установки лопаток в завихрителе к продольному направлению, который соответствует начальному углу закрутки пристенной струи, был равен О, 6, 10, 15, 20, 30 и 60, коэффициент избытка окислителя (воздуха) а - 4 и 6.

Результаты экспериментов позволили получить зависимость вероятности запуска нагревательного устройства Р (отношение числа успешных запусков к общему числу попыток на одном режиме) от угла установки лопаток в завихрителе (фиг. 2). Согласно фиг. 2 надежный запуск нагревательного устройства (т.е. Р 1) осуществляется при угле установки лопаток в завихрителе (р в диапазоне 6 - 15°. Следовательно, углы установки лопаток в завихрителе к продольному направлению в данном интервале являются оптимальными,

Эксперименты также показали, что камера сгорания надежно охлаждается. Так, максимальная температура наружной поверхности камеры сгорания достигала 500°С при а 4. Такой уровень температур является допустимым с точки зрения прочности для жаропрочных сталей, из которых обычно изготавливаются камеры сгорания,

Нагревательное устройство работает следующим образом,

По магистрали 13 подводится сжатый воздух от внешнего источника, например компрессора высокого давления, к кольцевой полости 14, на которой воздух распределяется на два потока: меньшая часть воздуха направляется в форсуночную головку 3, а большая часть- к кольцевому зазору 11, расположенному между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхностью камеры 1 сгорания. Топливо(керосин,дизельное топливо, дистиллат) подается от внешнего насоса к струйным форсункам 7 по магистрали 9 и кольцевому коллектору 10. Воздух и топливо перемешиваются в форсунках 4, на выходе из которого Образуется топливовоздушная смесь, которая в виде осесимметричных струй поступает в камеру сгорания. В результате отрывного течения этих струй и приосевой области образуете возвратное течение топливовоздушной смеси, которая, двигаясь в обратном направлении, попадает в центральную цилин.дрическую нишу 5 и воспламеняется от предварительно разогретой спирали свечи 6 накаливания. Воспламенение топливовоздушной смеси в нише 5 инициирует горение в камере 1 сгорания. Так осуществляется

запуск нагревательного устройства. После запуска свеча 6 накаливания отключается от электропитания, а горение в камере 1 сгорания поддерживается при помощи стабилизирующего действия возвратного течения а приосевой области. Воздух, поступающий в камеру 1 сгорания через кольцевой зазор 11, слабо закручивается при помощи лопаток 12, установленных в кольцевом зазоре

0 11 вдоль радиуса, и под углом 6-15° к продольному направлению и образует вдоль внутренней поверхности камеры 1 сгорания пристенную струйную завесу, которая защищает камеру 1 сгорания от высокотемпературных продуктов сгорания. Перед соплом 2 воздух из пристенной струйной завесы полностью перемешивается с продуктами сгорания и охлаждает их до заданной температуры. В результате образуется

0 термогаз, обогащенный воздухом, который выходит из камеры 1 сгорания через сопло 2, Это сопло имеет в критическом сечении звуковую скорость, поэтому оно предотвращает процессы в камере сгорания от воз5 действия внешнего давления.

Останов нагревательного устройства осуществляется прекращением подачи воздуха и топлива.

Конкретная реализация изобретения

0 осуществляется в камере сгорания термога- зогенератора.

Термогазогенератор работает на сжатом воздухе и керосине.

Камера сгоранияс толщиной стенки 6

5 мм, внутренним диаметром 62 мм и длиной 160 мм снабжена форсуночной головкой с шестью топливовоздушными форсунками типа сопло Лаваля с диаметром минимального сечения 3,6 мм и выходным соплом.

0 Форсунки расположены на окружности диаметром 40 мм. На оси форсуночной головки расположена центральная цилиндрическая ниша диаметром 16 мм, в которую установлена электрическая свеча накаливания

5 СНД-100, Между форсуночной головкой и внутренней поверхностью камеры сгорания образован кольцевой зазор, площадь,выходного сечения которого в зависимости от потребной величины температуры термога0 за в 3-10 раза больше суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок. Так, при температуре газа на выходе из сопла термогазогенератора 600° С высЬта кольцевого зазора составила 0,97 мм, что

5 соответствует утроенной величине суммарной площади минимальных сечений воздушных форсунок, Завихритель имеет лопатки, выполненные вдоль радиуса и установленные под углом 12° к продольному направлению термогазогенератора.

Нагревательное устройство имеет простую принципиальную схему и может обслуживаться, запускаться и управляться при помощи имеющихся в нефтяной промышленности воздушных компрессоров-и топливных насосов и другого технологического oбopyдoвailия. Тепловая мощность нагревательного устройства составляет 100-400 кВт, что существенно выше мощности электронагревателей (16-24 кВт), и применение их сокращает сроки инициирования внутрипластового горения.

Формула изобретения Нагревательное устройство, содержащее подводящие магистрали горючего и

воздуха, соединенные с камерой сгрранмя, имеющей выходное сопло и форсуночную головку, в центральной цилиндрической нише которой установлена свеча накаливания,

отличающееся тем, что, с Ц&лью упрощения конструкции при одновременном повышении надежности запуска устройства, оно снабжено завихрител м с лопатками, выполненными вдоль радиуса и

под углом 6-15° к продольной оси камеры сгорания, при этом форсуночная головка уста н.овлен а с кольцевым зазором относительно камеры сгорания, а завихрит ль с лопатками размещен в зазоре между камерой сгорания и форсуночной головкой.

Изобретение относится к нефтедобыче с использованием внутрипластового горения на месторождениях битумов и нефти. Цель изобретения - упрощение конструкции при одновременном повышении надежности запуска. Устройство содержит камеру 1 сгорания с выходным соплом 2, форсуночную головку 3 с центральной цилиндрической нишей 5, в которой установлена электрическая свеча 6 накаливания. Топливная магистраль 9 сообщена сфорсунками 1 при помощи коллектора 10. Между форсуночной головкой 3 и внутренней поверхно-f /Г"Воздух^§7/in 1^ 1^te/

О

Ч