RU209968U1

RU209968U1 - FLARE HEAD

Info

Publication number: RU209968U1
Application number: RU2021137445U
Authority: RU
Inventors: Олег Арсеньевич Домрачев; Радик Хамитович Галиакберов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "МИДИ"
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для сжигания аварийных выбросов газа в различных отраслях промышленности, например в нефтегазодобывающей, работающим с использованием эффекта Коанда. Оголовок факельной установки содержит факельный ствол, газовый затвор с чашей, выполненной в виде тела обтекания, установленный на тяге с возможностью перемещения вдоль своей оси для изменения проходного сечения сбросных газов, при этом на внутренней стороне чаши установлен пружинный клапан, настроенный на минимально допустимое давление выброса сжигаемых газов, а радиус кривизны наружной поверхности чаши от точки входа потока газа до края выбран из условия, что отношение диаметра потока газа к радиусу кривизны поверхности ≤0,05. Технический результат - максимально возможная полнота сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей, исключение дымообразования в разных режимах работы установки, в т.ч. в условиях нестабильного давления и расхода сжигаемого газа.The utility model relates to devices for burning emergency gas emissions in various industries, for example, in oil and gas production, operating using the Coanda effect. The head of the flare unit contains a flare stack, a gas seal with a bowl made in the form of a bluff body, mounted on a rod with the ability to move along its axis to change the flow area of waste gases, while a spring valve is installed on the inside of the bowl, configured for the minimum allowable discharge pressure combusted gases, and the radius of curvature of the outer surface of the bowl from the entry point of the gas flow to the edge is selected from the condition that the ratio of the diameter of the gas flow to the radius of curvature of the surface ≤0.05. The technical result is the maximum possible completeness of combustion of gases with a reduced content of harmful impurities, the exclusion of smoke formation in different operating modes of the installation, incl. under conditions of unstable pressure and consumption of flared gas.

Description

Полезная модель относится к устройствам для сжигания аварийных выбросов газа в различных отраслях промышленности, например в нефтегазодобывающей, работающим с использованием эффекта Коанда.The utility model relates to devices for burning emergency gas emissions in various industries, for example, in oil and gas production, operating using the Coanda effect.

Известно устройство (международная заявка WO2014179650, МПК F23G 7/08, дата публ. 06.11.2014), обеспечивающее минимизацию образования дыма в факельной установке, включающее кольцевой газовый дефлектор, имеющий внешнюю поверхность обтекания отходящих газов и множество ребер, проходящих радиально от внешней поверхности дефлектора для обеспечения улучшенного смешивания отходящего газа и воздуха для обеспечения полноты сгорания. Дефлектор включает чашу в форме тюльпана с поверхностью Коанда. Чаша Коанда выполнена с возможностью перемещения. В поднятом положении посадочная часть чаши Коанда приподнята относительно посадочной части опорного рычага с образованием зазора между ними, позволяющему проходить потоку отработанного газа через него. В нижнее положение посадочная часть чаши Коанда переводится посредством пружины, при этом посадочная часть чаши Коанда контактирует с посадочной частью опорного рычага.A device is known (international application WO2014179650, IPC F23G 7/08, published date 11/06/2014), which minimizes the formation of smoke in a flare installation, including an annular gas deflector having an outer surface for the flow of exhaust gases and a plurality of ribs extending radially from the outer surface of the deflector to provide improved mixing of flue gas and air to ensure complete combustion. The deflector includes a tulip-shaped bowl with a Coanda surface. The Coanda bowl is movable. In the raised position, the landing part of the Coanda cup is raised relative to the landing part of the support arm with the formation of a gap between them, allowing the flow of exhaust gas through it. The landing part of the Coanda bowl is transferred to the lower position by means of a spring, while the landing part of the Coanda bowl is in contact with the landing part of the support arm.

Известна "Факельная установка" полезная модель, патент №198838, МПК F23D 14/20, от 21.04.2020 содержащая факельный ствол, факельный оголовок, газовый затвор, запально-защитное устройство с электроискровым розжигом и контролем пламени. Газовый затвор факельной установки также выполнен в виде тела обтекания для реализации эффекта Коанда и жестко установлен на тяге с возможностью перемещения вдоль своей оси для изменения проходного сечения сбросных газов при изменении расхода, а верхний торец газового затвора и конический буртик образуют контур для стабилизации пламени.Known "Flame installation" utility model, patent No. 198838, IPC F23D 14/20, dated 04/21/2020 containing a flare stack, a flare tip, a gas seal, an ignition-protective device with electric spark ignition and flame control. The gas seal of the flare unit is also made in the form of a bluff body to implement the Coanda effect and is rigidly mounted on a rod with the ability to move along its axis to change the flow area of waste gases with a change in flow rate, and the upper end of the gas seal and the conical collar form a contour for flame stabilization.

Известен "Оголовок факельной установки" (полезная модель, патент №188634, МПК F23D 14/20, от 18.04.2019 г.), содержащий газоподводящий ствол и газовый затвор выполненный в виде чаши, обращенной дном в сторону газоотводящего ствола, на внутренней поверхности которого, у верхнего среза, установлен турбулизатор (выбран в качестве прототипа).Known "Head of the flare unit" (utility model, patent No. 188634, IPC F23D 14/20, dated 04/18/2019), containing a gas supply shaft and a gas seal made in the form of a bowl, with its bottom facing the exhaust shaft, on the inner surface of which , at the upper cut, a turbulator is installed (selected as a prototype).

К недостаткам данных устройств можно отнести ненадежность при работе на низких скоростях потока сбрасываемого газа и нестабильной его подаче. Сила эффекта Коанда зависит от очень многих факторов, главным образом от скорости потока и соотношения диаметра потока и кривизны стенки h/r, а также от формы и шероховатости поверхности, расположения и геометрии сопла, и не все из них могут быть описаны с использованием математических формул. Реальные значения можно получить исключительно экспериментальным путем. Кроме того эксперименты, проведенные с пристенной струей вдоль круглой стенки, показывают, что эффект Коанда не возникает в ламинарном потоке, а критические отношения h/r для малых чисел Рейнольдса намного меньше, чем для турбулентного потока: до h/r=0,14, если Re=500, и до h/r=0,05, если Re=100. То есть прилипание струи к поверхности обтекания может наблюдаться не во всех случаях, что влияет на качество работы факельной установки.The disadvantages of these devices include unreliability when operating at low flow rates of the discharged gas and its unstable supply. The strength of the Coanda effect depends on many factors, mainly the flow velocity and the ratio of the flow diameter to the wall curvature h/r, as well as the shape and roughness of the surface, the location and geometry of the nozzle, and not all of them can be described using mathematical formulas. . Real values can only be obtained experimentally. In addition, experiments carried out with a near-wall jet along a circular wall show that the Coanda effect does not occur in a laminar flow, and the critical h/r ratios for small Reynolds numbers are much smaller than for a turbulent flow: up to h/r=0.14, if Re=500, and up to h/r=0.05 if Re=100. That is, sticking of the jet to the flow surface may not be observed in all cases, which affects the quality of the flare unit.

Кроме того, вес самой чаши создает большое газодинамическое сопротивление при аварийных сбросах, которое препятствует применению таких оголовков на факельных системах низкого давления.In addition, the weight of the bowl itself creates a large gas-dynamic resistance during emergency discharges, which prevents the use of such tips on low-pressure flare systems.

Техническая задача полезной модели состоит в повышении надежности работы установки и расширении возможностей ее применения.The technical task of the utility model is to improve the reliability of the installation and expand the possibilities of its application.

Технический результат - максимально возможная полнота сгорания газов с уменьшенным содержанием вредных примесей, исключение дымообразования в разных режимах работы установки, в т.ч в условиях нестабильного давления и расхода сжигаемого газа.The technical result is the maximum possible completeness of combustion of gases with a reduced content of harmful impurities, the exclusion of smoke formation in different operating modes of the installation, including under conditions of unstable pressure and flow of the combusted gas.

Технический результат достигается тем, что оголовок факельной установки содержит факельный ствол, газовый затвор с чашей, выполненной в виде тела обтекания, установленный на тяге с возможностью перемещения вдоль своей оси для изменения проходного сечения сбросных газов, при этом на внутренней стороне чаши установлен пружинный клапан, настроенный на минимально допустимое давление выброса сжигаемых газов, а радиус кривизны наружной поверхности чаши от точки входа потока газа до края выбран из условия, что отношение диаметра потока газа к радиусу кривизны поверхности ≤0,05.The technical result is achieved by the fact that the head of the flare installation contains a flare stack, a gas seal with a bowl made in the form of a bluff body mounted on a rod with the ability to move along its axis to change the flow area of waste gases, while a spring valve is installed on the inside of the bowl, set to the minimum allowable pressure for the release of combustible gases, and the radius of curvature of the outer surface of the bowl from the point of entry of the gas flow to the edge is selected from the condition that the ratio of the diameter of the gas flow to the radius of curvature of the surface ≤0.05.

На фиг. 1 изображен общий вид факельного оголовка.In FIG. 1 shows a general view of the flare head.

На фиг. 2 изображен вид А, пружинный клапан.In FIG. 2 shows view A, spring valve.

Факельный оголовок 1 содержит факельный ствол 2, газовый затвор 3, связанный с тягой 4 и выполненный с возможностью продольного перемещения вдоль оси факельного оголовка 1, в верхней и нижней части которого выполнены неподвижные центраторы 5. Тяга 4 снабжена ограничительным упором 18.The flare head 1 contains a flare stack 2, a gas seal 3 connected to a rod 4 and made with the possibility of longitudinal movement along the axis of the flare head 1, in the upper and lower parts of which fixed centralizers 5 are made. The rod 4 is equipped with a restrictive stop 18.

Чаша газового затвора 3 обращена выпуклой поверхностью вниз и образует тело обтекания для реализации эффекта Коанда, а внутри чаши установлен пружинный клапан, устройство которого показано на фигуре 2.The cup of the gas lock 3 is turned with its convex surface down and forms a bluff body to implement the Coanda effect, and a spring valve is installed inside the cup, the device of which is shown in figure 2.

Для лучшей реализации эффекта Коанда, радиус кривизны наружной поверхности чаши от точки входа потока до края, выбирается таким образом, чтобы расчетное отношение диаметра потока к радиусу кривизны поверхности h/r не превышало величины 0,05, что обеспечит прилипание струи к поверхности чаши при любом режиме движения газового потока, а увеличение длины образующей чаши по которой движется поток, позволит направить его ближе к центру горения факела и улучшить качество сжигания сбрасываемых газов.For better implementation of the Coanda effect, the radius of curvature of the outer surface of the bowl from the point of entry of the flow to the edge is chosen so that the calculated ratio of the diameter of the flow to the radius of curvature of the surface h/r does not exceed 0.05, which will ensure that the jet adheres to the surface of the bowl at any mode of gas flow movement, and an increase in the length of the generatrix of the bowl along which the flow moves, will allow directing it closer to the combustion center of the torch and improve the quality of combustion of discharged gases.

Пружинный клапан состоит из неподвижно соединенных с чашей (например, посредством сварки) седла 6 и опоры 7 с отверстиями 8 в верхней части для выхода сжигаемого газа. В опору 7 вставлен и закреплен болтами или шпильками 9 корпус клапана 10 с тарелками 11,12 и пружиной 13. Сила прижатия тарелки 12 в седле 6 задается регулировочным болтом 14 и контргайкой 15. Тарелка 11 обеспечивает фиксацию и настройку величины усилия пружины 13, передаваемого на тарелку 12. Количество отверстий 8 в опоре 7 предпочтительно составляет от одного до восьми.The spring valve consists of a seat 6 and a support 7 fixed to the bowl (for example, by welding) with holes 8 in the upper part for the combustion gas to exit. The valve body 10 with plates 11,12 and spring 13 is inserted into the support 7 and fixed with bolts or studs 9. The pressing force of the plate 12 in the seat 6 is set by the adjusting bolt 14 and the lock nut 15. The plate 11 provides fixation and adjustment of the magnitude of the force of the spring 13 transmitted to plate 12. The number of holes 8 in the support 7 is preferably from one to eight.

Также факельный оголовок содержит запальное устройство (фиг. 1), состоящее из дежурной горелки 16 и электрода свечи 17.Also, the torch head contains an ignition device (Fig. 1), consisting of a pilot burner 16 and a candle electrode 17.

Работает факельный оголовок следующим образом.The torch head works as follows.

Предварительно пружинный клапан настраивается на минимально допустимое давление сброса газов. Затем подводится газ к дежурной горелке 16 и подается напряжение на электрод свечи 17. Газо-воздушная смесь воспламеняется за торцом эжектора и поджигает избыточную часть газа, поступающего по трубке подачи газа, обеспечивая при этом устойчивое горение дежурной горелки 16.The spring valve is pre-adjusted to the minimum allowable gas discharge pressure. Then gas is supplied to the pilot burner 16 and voltage is applied to the spark plug electrode 17. The gas-air mixture ignites behind the end of the ejector and ignites the excess part of the gas flowing through the gas supply pipe, while ensuring stable combustion of the pilot burner 16.

Подаваемый на сжигание газ проходит по факельному стволу 2, поступает в пружинный клапан через отверстие в седле 6 пружинного клапана, давит на тарелку 12 пружинного клапана и при превышении давления настройки клапана приподнимает ее и через отверстия 8 в опоре 7 выходит в центральную зону чаши, где воспламеняется от пламени дежурной горелки 16.The gas supplied for combustion passes through the flare stack 2, enters the spring valve through the hole in the seat 6 of the spring valve, presses on the plate 12 of the spring valve and, when the valve setting pressure is exceeded, lifts it and through the holes 8 in the support 7 goes into the central zone of the bowl, where ignites from the flame of the pilot burner 16.

При дальнейшем повышении давления поток газа проходит по факельному стволу 2, поступает под газовый затвор 3, поднимает его за счет повышающегося давления и через образовавшийся кольцевой зазор между верхним торцом факельного ствола 2 и обтекаемой поверхностью газового затвора 3 выходит в атмосферу, прилипая вследствие возникающего эффекта Коанда к поверхности чаши и создавая вокруг нее зону пониженного давления, в которую вовлекается окружающий воздух. Скорость истечения газа в атмосферу определяется избыточным давлением под газовым затвором 3 и зависит от суммарного веса газового затвора 3 и тяги 4.With a further increase in pressure, the gas flow passes through the flare stack 2, enters under the gas seal 3, raises it due to the increasing pressure and through the formed annular gap between the upper end of the flare stack 2 and the streamlined surface of the gas seal 3 exits into the atmosphere, sticking due to the emerging Coanda effect to the surface of the bowl and creating a zone of low pressure around it, into which the surrounding air is involved. The rate of gas outflow into the atmosphere is determined by the excess pressure under the gas seal 3 and depends on the total weight of the gas seal 3 and thrust 4.

Воздух смешивается с поступающим газом, и полученная газовоздушная смесь движется в направлении образующей чаши газового затвора 3, к выходу первого потока газа от пружинного клапана. В результате интенсивного перемешивания сбросного газа с воздухом образуется горючая смесь, которая воспламеняется от факела, созданного первым потоком газа и пламени дежурной горелки.The air is mixed with the incoming gas, and the resulting gas-air mixture moves in the direction of the generatrix of the bowl of the gas seal 3, to the outlet of the first gas flow from the spring valve. As a result of intensive mixing of the waste gas with air, a combustible mixture is formed, which ignites from the torch created by the first gas flow and the flame of the pilot burner.

В итоге эксплуатационная надежность факельной установки при работе в условиях нестабильного давления и расхода сжигаемого газа заметно повышается за счет предлагаемых конструктивных доработок.As a result, the operational reliability of the flare unit when operating under conditions of unstable pressure and flow of flared gas is noticeably increased due to the proposed design improvements.

Claims

The head of the flare unit, containing a flare stack, a gas seal with a bowl made in the form of a bluff body, mounted on a rod with the ability to move along its axis to change the flow area of waste gases, characterized in that a spring valve is installed on the inside of the bowl, set to a minimum allowable pressure of combustion gases ejection, and the radius of curvature of the outer surface of the bowl from the point of entry of the gas flow to the edge is selected from the condition that the ratio of the diameter of the gas flow to the radius of curvature of the surface is ≤ 0.05.