CN106705075A - 强制气膜冷却的火炬 - Google Patents
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Abstract
一种强制气膜冷却的火炬，包括壁筒，所述壁筒为上下两端开口且在其内部形成燃烧室，所述壁筒底部设有若干燃烧器，所述火炬还包括用以冷却所述壁筒的冷却结构，所述冷却结构包括安装在所述壁筒外部的冷却夹套及设置于所述壁筒上的通气结构，所述冷却夹套与所述壁筒外壁之间间隔从而形成冷却流道，所述通气结构与所述燃烧室和冷却流道连通，使得进入所述冷却流道的强制冷却气流能通过所述通气结构在所述壁筒内壁面形成冷却气膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种火炬，特别涉及一种强制气膜冷却的火炬。
背景技术
目前油气开采过程中产生的废气较难回收，现多排放至高空火炬或地面火炬燃烧处理。引射式火炬燃烧所需的空气来源于燃气动能引射的空气，引射进的空气直接就和燃料气混合，不能分离出来做冷却用。对于带燃烧室的火炬而言，燃烧室外壁直接暴露在高温环境中，这就会造成燃烧室壁筒材料要求耐高温，即使耐高温的材料使用寿命也是有限的，大多存在环保问题，而且成本很高。
公告号为204026699U的中国实用新型专利公开了一种强制气膜冷却配风的封闭式地面火炬装置。这种强制气膜冷却的火炬的问题在于他并未形成气膜冷却。他的结构原理只能说是对流冷却，只通过空气对流换热带走外壁面的热量来冷却火炬燃烧室壁面。且从竖直方向上看，火炬外壁为凹凸形结构，冷却空气的流动方向也是竖直方向，在外壁凹陷处空气会形成涡流不利于流动带走热量。在内壁凹陷处，高温燃气会形成涡流不利于流动排出燃气带走热量，冷却空气消耗大，冷却效率不高。而且燃烧室内壁依然与高温烟气和火焰接触，会被腐蚀。冷却空气自下而上温度会升高造成火炬燃烧室上筒体冷却效率下降，造成燃烧室壁内存在较大的热应力。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种可有效形成冷却气膜的强制气膜冷却的火炬。
一种强制气膜冷却的火炬，包括壁筒，所述壁筒为上下两端开口且在其内部形成燃烧室，所述壁筒底部设有若干燃烧器，所述火炬还包括用以冷却所述壁筒的冷却结构，所述冷却结构包括安装在所述壁筒外部的冷却夹套及设置于所述壁筒上的通气结构，所述冷却夹套与所述壁筒外壁之间间隔从而形成冷却流道，所述通气结构与所述燃烧室和冷却流道连通，使得进入所述冷却流道的强制冷却气流能通过所述通气结构在所述壁筒内壁面形成冷却气膜。
在一实施例中，所述火炬包括若干层防护罩，每层防护罩包括所述壁筒和冷却夹套，所述壁筒上设有所述通气结构，所述冷却夹套与所述壁筒外壁之间间隔从而形成所述冷却流道，所述通气结构与所述燃烧室和冷却流道连通，使得进入所述冷却流道的强制冷却气流能通过所述通气结构在所述壁筒内壁面形成冷却气膜。
在一实施例中，所述冷却夹套的上下缘分别与所述壁筒的上下缘密封连接以使得所述冷却流道的上下两端封闭。
在一实施例中，所述强制冷却气流从所述冷却夹套下端的多个位置进入所述冷却流道。
在一实施例中，所述冷却夹套外部设有与所述冷却流道连通的环形管，所述环形管用以接收外部的强制冷却空气，所述环形管上设有连接至所述冷却夹套下端的所述多个位置的多个连接支管，所述多个连接支管与所述冷却流道连通以将所述强制冷却空气导入所述冷却流道。
在一实施例中，所述通气结构包括贯穿所述壁筒设置的若干冷却气孔，所述冷却气孔分别与所述燃烧室和冷却流道连通。
在一实施例中，所述冷却气孔包括气孔入口、气孔出口及所述气孔入口和气孔出口之间的气孔通道，所述气孔入口设置于所述壁筒的外壁面，所述气孔出口设置于所述壁筒的内壁面，所述气孔通道自所述气孔入口朝向所述气孔出口向上倾斜。
在一实施例中，所述壁筒为分层式塔状结构，包括沿竖直方向布置的多层壁筒，在竖直方向上相邻的两层壁筒中，上一层壁筒的径向宽度大于下一层的径向宽度，使得在相邻两层壁筒之间形成一与所述燃烧室和冷却流道流体相通的间隙。
在一实施例中，所述通气结构包括设置在所述间隙内的波浪形片状结构，所述波浪形片状结构内形成若干冷却气道，包括第一冷却气道和第二冷却气道，所述第一冷却气道包括波浪开口朝向上层壁筒的冷却气道，所述第二冷却气道包括波浪开口朝向下层壁筒的冷却气道。
在一实施例中，所述波浪形片状结构固定于所述上层壁筒和下层壁筒之间，在竖直方向上，所述波浪形片状结构的上端高于所述下层壁筒的顶端，所述波浪形片状结构的下端与所述上层壁筒的底端平齐。
综上所述，本发明提出一种强制气膜冷却的火炬，以解决现有火炬燃烧室壁筒冷却方式的效率不高的问题。在火炬上设置冷却结构，该冷却结构包括设置在壁筒外部的冷却夹套和设置在壁筒上的通气结构，通气结构例如为贯穿壁筒的若干冷却气孔，或者将壁筒设计成分层式塔状结构，使得相邻两壁筒之间形成间隙，可在间隙中加设冷却气道，例如波浪冷却气道。强制冷却空气经冷却夹套与壁筒形成的冷却流道进入冷却气孔或间隙，进而进入燃烧室，该冷却空气具有竖直方向和水平方向的分速度，可隔离高温火焰、燃气，带走高温，改变火焰方向，避免燃烧室内壁被灼蚀，为火焰燃烧补充二次空气，提高燃烧质量，同时在壁筒外壁和内壁形成冷却气膜，冷却均匀，延长火炬的使用寿命。
附图说明
图1为本发明火炬的运行流程图。
图2为本发明火炬一实施例的局部剖视图。
图3为图2的另一角度的局部剖视图。
图4为图3中圈A部分结构的放大示意图。
图5为本发明火炬另一实施例的局部剖视图。
图6为图5的另一角度的局部剖视图。
图7为图6中圈B部分结构的放大示意图。
具体实施方式
在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。
如图1所示，本发明提出一种强制气膜冷却的火炬，该火炬包括燃烧装置10、透平压气机12、燃气通道14和冷却空气通道16，其中燃气通道14和冷却空气通道16分别连接在透平压气机12与燃烧装置10之间。本实施例中，为了方便安装，透平压气机12设置在燃烧装置10的气源入口处，在其他实施例中，根据实际安装需要，透平压气机12也可以设置在燃烧装置10的其他位置。燃烧装置10包括燃气入口18和连通至燃烧装置10的燃烧室壁面的冷却通道入口20。
透平压气机12包括转轴22以及固定安装在转轴22上的透平24和压气机26。其中，透平24可以是轴流型或径流型，压气机26也可以是轴流型或径流型。本实施例中，透平24和压气机26均采用轴流型，并共同组成轴流透平压气机。
透平24包括透平入口部28和透平出口部30，透平入口部28用以通入高压燃气，例如来自井场的高压天然气。燃气通道14连接在透平出口部30与燃烧装置10的燃气入口18之间，用以向燃烧装置10提供燃烧所需要的燃气。高压天然气进入透平24驱动透平涡轮旋转，高压天然气膨胀后压力降低，经透平24膨胀降压的天然气经透平出口部30排出进入燃气通道14，然后经燃气入口18进入燃烧装置10的燃烧室进行燃烧。
压气机26包括压气机入口部32和压气机出口部34，冷却空气通道16连接在压气机出口部34与燃烧装置10的冷却通道入口20之间。透平涡轮旋转带动转轴22转动，转轴22继而驱动压气机26的压气叶轮转动，压气叶轮转动使得环境空气从压气机入口部32被吸进压气机26，空气经压气机26压缩后通过压气机出口部34排出至冷却空气通道16，然后经冷却通道入口20进入燃烧装置10的燃烧室冷却结构。
由于被压气机26压缩的空气温度会上升，影响对燃烧室壁面的冷却效果。本实施例中，所述火炬还包括用以对压缩空气散热降温的热交换器或散热器36，例如翅片管散热器36，在其他实施例中也可以采用其他类型的散热器，本发明不对此限定。翅片管散热器36设置在冷却空气通道16上，以对从压气机出口部34排出的压缩空气进行冷却降温。在所示的实施例中，散热器36同时位于冷却空气通道16和燃气通道30上，因此冷却空气通道16内的空气的热量被交换至燃气通道30内的天然气上，从而降低自身的温度，同时提高透平后的天然气的温度，有利于天然气稳定燃烧。
油井里的高压气源蕴含着较高的压能，为了更为充分地利用该压能，在所示的实施例中，透平压气机12外接一发电机38，例如高速永磁发电机38。具体而言，压气机26的压气叶轮上连接一传动轴40，发电机38设置在传动轴40上，透平24的转动同时带动传动轴40转动，传动轴40驱动发电机38发电，以为火炬运行提供电力。避免了资源浪费，节能环保。在其它实施例中，发电机38也可以设置在透平24一侧。
在所示的实施例中，透平压气机12还可以包括外壳(图未示出)，透平24、压气机26及转轴22或者连同发电机38均安装在所述机壳内构成一个模块单元，这样便于火炬的模块化安装，方便维护。
在图1所示的实施例中，燃烧装置10为引射式燃烧装置10，该引射式燃烧装置10包括沿竖直方向布置的多层防护罩，例如4层。4层防护罩包括底层防护罩42及位于底层防护罩42以上的3层上层防护罩，该3层上层防护罩从下往上依次为第二层防护罩44，第三层防护罩46和第四层防护罩48。每层防护罩在周向上封闭以形成具有上下两开口端的燃烧室，在竖直方向上相邻的两层防护罩中，上一层防护罩的径向宽度大于下一层的径向宽度，使得在相邻两层防护罩之间形成一与燃烧室流体相通的引射区，以引射空气。每层防护罩下端均设有冷却通道入口20，每个冷却通道入口20分别连通至对应的防护罩的燃烧室壁面。
冷却空气通道16通过若干分支与各层防护罩连接。在图1所示的实施例中，冷却空气通道16通过4个分支分别与四层防护罩下端的冷却通道入口20连通。应当理解的是，本实施例中分支的设置方式仅为本发明的一种实施方式，在其他实施例中，根据实际设计需要，也可采用其他分支设计方式。
四层防护罩包括底层防护罩42及位于底层防护罩42以上的三层上层防护罩。底层防护罩42底部及相邻两层防护罩之间的引射区内设有若干燃烧器及长明灯(图1未示出)。每层防护罩上均设有用以冷却对应防护罩壁面的冷却结构。
下面将举例对冷却结构进行详细说明。下面的描述主要是结合鼓风式火炬来描述，但其冷却结构也可以应用至图1所示的引射式燃烧装置中。
在如图2-4所示的实施例中，燃烧装置10包括底座56、安装在底座56上的燃烧室壁筒57及用以冷却壁筒42的冷却结构。壁筒57为上下两端开口且在其内部形成燃烧室58，壁筒57底部设有若干燃烧器60及用以点燃所述若干燃烧器60的长明灯62。燃烧装置10的燃气入口18与燃烧器60连通，以使得经透平24减压的燃气经燃气入口18进入燃烧器60燃烧。具体而言，所述若干燃烧器60均匀分布在壁筒57底部的燃气供应管道61上，燃气供应管道61具有设置于底座56上的至少一管道入口18，例如两个管道入口18，两个管道入口18分别设置在底座56的两侧。应当指出的是，所述管道入口18可以作为上述燃烧装置10的燃气入口18。
如图3和图4所示，冷却结构包括安装在壁筒57外部的冷却夹套64及设置于壁筒57上的通气结构，冷却夹套64与壁筒57的外壁之间形成冷却流道66，通气结构与燃烧室58和冷却流道66连通，冷却夹套64底端设有与冷却流道66连通的环形管68，环形管68用以为冷却流道66供应压缩空气。
本实施例中，壁筒57为单层结构。冷却夹套64与壁筒57间隔设置，冷却夹套64的上下缘分别与壁筒57的上下缘密封连接，以使得冷却夹套64内形成的冷却流道66的上下两端封闭，避免冷却空气溢出，影响冷却效果。
环形管68具有一管道入口20，该管道入口20用以通入冷却的压缩空气，换句话说，该管道入口20可以作为图1的燃烧装置10的冷却通道入口20。为了避免出现壁筒壁面的冷却空气分布不均匀，在所示的实施例中，环形管68上设有均匀分布的多个连接至冷却夹套64下端的连接支管70，连接支管70与冷却流道66连通，使冷却空气能够均匀地通过冷却流道66进入壁筒壁面。
在所示的实施例中，通气结构包括贯穿壁筒57设置的若干冷却气孔72，冷却气孔72分别与燃烧室58和冷却流道66连通。
为了增强对壁筒57的冷却效果，若干冷却气孔72沿壁筒42的轴向和周向均匀对称分布，且最底端的一圈冷却气孔72在竖直方向上的高度与燃烧器60的出口平齐，以使得冷却空气可以对壁筒42进行全面冷却。
本实施例中，将冷却气孔72设置为斜孔。具体来说，冷却气孔72包括气孔入口74、气孔出口76及连通气孔入口74和气孔出口76的气孔通道78，其中气孔入口74设置于壁筒57的外壁面，气孔出口76设置于壁筒57的内壁面，气孔通道78自气孔入口74朝向气孔出口76向上倾斜。在所示的实施例中，气孔通道78为直通道，在其他实施例中，气孔通道78也可以设计成其他类型，例如弧形通道或螺旋通道，只要能使得从气孔出口76出来的冷却空气具有竖直向上的分速度即可。
压缩后的冷却空气经冷却空气通道16进入冷却流道66，然后冷却空气顺着冷却流道66向上流动，进入冷却气孔72，当冷却空气从气孔出口76出来时具有竖直向上方向和水平方向的分速度，竖直向上的分速度使得冷却空气向周围扩散在壁筒57的壁面上形成一层气膜，水平方向的分速度使得冷却空气阻止火焰和高温燃气流向燃烧室58的壁筒57，同时冷却空气会带走高温，增加燃烧室58内燃气扰动，进而增加和空气的混合，为火焰燃烧补充二次空气，提高燃烧质量。在燃烧室58内隔绝了高温源对燃烧室壁筒57的对流传热。还有一部分冷却空气在壁筒57与冷却夹套64之间流动，通过对流换热带走燃烧室壁筒57上吸收的辐射热，在壁筒57外壁形成一层冷却气膜，形成壁筒内外双重冷却气膜，提高对壁筒42的冷却效果。
图5-7是火炬的另一实施例。本实施例中的火炬总体结构与图2-4的实施例类似，在此不再进行详细描述。区别在于它们的通气结构不同。
本实施例中，壁筒57为分层式塔状结构。壁筒57包括沿竖直方向布置的多层壁筒，例如6层壁筒，在其他实施例中多层壁筒也可以设置为其他数目。在竖直方向上相邻的两层壁筒中，上一层壁筒的径向宽度大于下一层的径向宽度，使得在相邻两层壁筒之间形成一与燃烧室58和冷却流道66流体相通的间隙80。
如图6-7所示，通气结构包括竖直设置在间隙80内的波浪形片状结构82，波浪形片状结构82固定，例如焊接固定于一上层壁筒84和一下层壁筒86之间。为了使得冷却空气更好地进入通气结构，进而隔离高温火焰、燃气并在壁筒上形成冷却气膜，在所示的实施例中，在竖直方向上，波浪形片状结构82的上端高于下层壁筒86的顶端，波浪形片状结构82的下端与上层壁筒84的底端平齐。
由于其波浪状结构，波浪形片状结构82在其片状结构两侧表面形成若干冷却气道88，所述冷却气道88包括第一冷却气道90和第二冷却气道92。其中，第一冷却气道90形成在面向上层壁筒84的一侧表面上，包括波浪开口朝向上层壁筒84的若干冷却气道，第二冷却气道92形成在面向下层壁筒86的一侧表面，包括波浪开口朝向下层壁筒86的若干冷却气道。
冷却空气进入冷却流道66后，一部分进入冷却气道88，从第一冷却气道90出来的冷却空气紧贴壁筒57壁面竖直向上流动，在壁筒57内壁上形成一层冷却气膜，切断高温源和燃烧室壁筒的对流换热。从第二冷却气道92出来的冷却空气向周围扩散，具有竖直方向和水平方向的分速度，该部分冷却空气可阻止高温火焰、燃气靠近壁筒57的壁面，带走高温燃气，改变火焰方向，避免燃烧室58内壁被高温燃气、火焰灼烧腐蚀。同时冷却空气会增加燃烧室58内燃气扰动，进而增加和空气的混合，为燃烧补充二次空气，提高燃烧质量。还有一部分冷却空气在壁筒57与冷却夹套64之间流动，通过对流换热带走燃烧室壁筒57上吸收的辐射热，在壁筒57外壁形成一层冷却气膜，形成壁筒内外双重冷却气膜，提高对壁筒57的冷却效果。
应当理解的是，本实施例中是在间隙80内设置波浪形片状结构82以形成波浪冷却气道，在其他实施例中，也可以在间隙80内设置其他结构，形成其他类型的冷却气道，或者直接将间隙80作为冷却气道，只要该冷却气道可使通过的冷却空气能够在壁筒57内壁面形成气膜即可。
本发明的冷却结构用冷却空气做高温源和燃烧室壁筒之间的屏障，改变高温源方向，切断热源和壁筒壁面之间的对流换热，带走燃烧室壁筒内外壁吸收的辐射热。壁筒内外都进行冷却，且冷却均匀，冷却效率提高，冷却空气用量少，还可提高燃烧质量。
虽然图2至图7是以鼓风式火炬为例来介绍本发明火炬的冷却结构，应当理解的是，所示的冷却结构可以直接或稍加修改而应用于引射式火炬中。例如，如图1，引射式火炬中通常设有若干层防护罩42、44、46、48，而图2至图7中的燃烧室壁筒和冷却夹套可以一起作为引射式火炬中一层防护罩，即每层防护罩都包含围成燃烧室的燃烧室壁筒以及与壁筒连接的冷却夹套，壁筒与冷却夹套间隔设置从而在其间形成冷却流道，且壁筒上形成有上述通气结构。同样，上述通气结构可以是贯穿壁筒的冷却气孔72，或者多层壁筒之间的间隙80，或者在间隙中设置上述波浪形片状结构82。同样，每层的冷却夹套底部设置环形管68，环形管68具有冷却通道入口20。环形管68上设有均匀分布的多个连接至冷却夹套下端的连接支管，连接支管与冷却流道连通，使冷却空气能够均匀地通过冷却流道到达壁筒壁面。
综上所述，本发明提出一种强制气膜冷却的火炬，以解决现有火炬燃烧室壁筒冷却方式的效率不高的问题。在火炬上设置冷却结构，该冷却结构包括设置在壁筒外部的冷却夹套和设置在壁筒上的通气结构，通气结构例如为贯穿壁筒的若干冷却气孔，或者将壁筒设计成分层式塔状结构，使得相邻两壁筒之间形成间隙，可在间隙中加设冷却气道，例如波浪冷却气道。强制冷却空气经冷却夹套与壁筒形成的冷却流道进入冷却气孔或间隙，进而进入燃烧室，该冷却空气具有竖直方向和水平方向的分速度，可隔离高温火焰、燃气，带走高温，改变火焰方向，避免燃烧室内壁被灼蚀，为火焰燃烧补充二次空气，提高燃烧质量，同时在壁筒外壁和内壁形成冷却气膜，冷却均匀，延长火炬的使用寿命。
本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种强制气膜冷却的火炬，包括壁筒，所述壁筒为上下两端开口且在其内部形成燃烧室，所述壁筒底部设有若干燃烧器，其特征在于，所述火炬还包括用以冷却所述壁筒的冷却结构，所述冷却结构包括安装在所述壁筒外部的冷却夹套及设置于所述壁筒上的通气结构，所述冷却夹套与所述壁筒外壁之间间隔从而形成冷却流道，所述通气结构与所述燃烧室和冷却流道连通，使得进入所述冷却流道的强制冷却气流能通过所述通气结构在所述壁筒内壁面形成冷却气膜。
2.如权利要求1所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述火炬包括若干层防护罩，每层防护罩包括所述壁筒和冷却夹套，所述壁筒上设有所述通气结构，所述冷却夹套与所述壁筒外壁之间间隔从而形成所述冷却流道，所述通气结构与所述燃烧室和冷却流道连通，使得进入所述冷却流道的强制冷却气流能通过所述通气结构在所述壁筒内壁面形成冷却气膜。
3.如权利要求1或2所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述冷却夹套的上下缘分别与所述壁筒的上下缘密封连接以使得所述冷却流道的上下两端封闭。
4.如权利要求1或2所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述强制冷却气流从所述冷却夹套下端的多个位置进入所述冷却流道。
5.如权利要求4所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述冷却夹套外部设有与所述冷却流道连通的环形管，所述环形管用以接收外部的强制冷却空气，所述环形管上设有连接至所述冷却夹套下端的所述多个位置的多个连接支管，所述多个连接支管与所述冷却流道连通以将所述强制冷却空气导入所述冷却流道。
6.如权利要求1或2所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述通气结构包括贯穿所述壁筒设置的若干冷却气孔，所述冷却气孔分别与所述燃烧室和冷却流道连通。
7.如权利要求6所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述冷却气孔包括气孔入口、气孔出口及所述气孔入口和气孔出口之间的气孔通道，所述气孔入口设置于所述壁筒的外壁面，所述气孔出口设置于所述壁筒的内壁面，所述气孔通道自所述气孔入口朝向所述气孔出口向上倾斜。
8.如权利要求1或2所述的强制气膜冷却的火炬，其特征在于，所述壁筒为分层式塔状结构，包括沿竖直方向布置的多层壁筒，在竖直方向上相邻的两层壁筒中，上一层壁筒的径向宽度大于下一层的径向宽度，使得在相邻两层壁筒之间形成一与所述燃烧室和冷却流道流体相通的间隙。
9.如权利要求8所述的强制气膜冷却的地面火炬，其特征在于，所述通气结构包括设置在所述间隙内的波浪形片状结构，所述波浪形片状结构形成若干冷却气道，包括第一冷却气道和第二冷却气道，所述第一冷却气道包括波浪开口朝向上层壁筒的冷却气道，所述第二冷却气道包括波浪开口朝向下层壁筒的冷却气道。
10.如权利要求9所述的强制气膜冷却的地面火炬，其特征在于，所述波浪形片状结构固定于所述上层壁筒和下层壁筒之间，在竖直方向上，所述波浪形片状结构的上端高于所述下层壁筒的顶端，所述波浪形片状结构的下端与所述上层壁筒的底端平齐。
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