RU2780599C1

RU2780599C1 - Burner

Info

Publication number: RU2780599C1
Application number: RU2022104415A
Authority: RU
Inventors: Альберт Зинурович Файзрахманов; Константин Викторович Стерхов; Владимир Александрович Богданов
Original assignee: Акционерное общество "Белкамнефть" имени А.А. Волкова
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2022-09-28

Abstract

FIELD: burners.

SUBSTANCE: invention relates to burners without pre-mixing, in which gaseous fuel is mixed with air upon entering the combustion zone. The burner device contains the first and second gas chambers. The basis of the device is a cylindrical body with a variable diameter, made two-stage; the first stage of the cylindrical body has a larger diameter compared to the second stage, the first and second branch pipes are fixed on the side surface of the first stage, communicating with the internal cavity of the body forming the first gas chamber, and through holes are made at the end of the second stage of the cylindrical body. The first branch pipe is equipped with the first cock and is configured to connect the first gas line to it, and the second branch pipe is configured to connect the first pressure gauge to it. A pipe is fixed inside the cylindrical body and coaxially to it, the inner cavity of which forms the second gas chamber; the first end of the pipe is brought out of the first stage of the cylindrical body, is equipped with a second cock and is configured to connect the second gas line to it, while on the side surface of the first end of the pipe the third branch pipe is fixed, communicating with the second gas chamber, configured to connect the second pressure gauge, and the second end of said pipe is brought into the furnace space of the gas-consuming equipment. A damper is fixed on the outer surface of the second stage of the housing, and a casing is movably installed with an interference fit, containing internal and external channels for supplying air to the combustion zone.

EFFECT: increasing the efficiency of associated petroleum gas combustion.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к горелкам без предварительного смешивания, в которых газообразное топливо смешивается с воздухом при поступлении в зону горения, с раздельными параллельно идущими каналами для подачи воздуха и газообразного топлива, и может применяться, например, для сжигания попутного нефтяного газа на нефтегазовых месторождениях и нефтепроводах.The invention relates to burners without premixing, in which gaseous fuel is mixed with air upon entering the combustion zone, with separate parallel channels for supplying air and gaseous fuel, and can be used, for example, for burning associated petroleum gas in oil and gas fields and oil pipelines.

Из уровня техники известен оголовок факельной установки (RU 139002 U1, МПК F23D 14/20, опубл. 27.03.2014). Оголовок содержит факельный ствол с фланцем, конфузор, смеситель и стабилизатор пламени. При этом смеситель факельной установки соединен с фланцем факельного ствола посредством трех одинаковых вертикально ориентированных опор, каждая из которых выполнена в виде двух подвижных относительно друг друга пластин. Недостатком известного оголовка является то, что онThe head of the flare installation is known from the prior art (RU 139002 U1, IPC F23D 14/20, publ. 03/27/2014). The head contains a flare stack with a flange, a confuser, a mixer and a flame stabilizer. In this case, the mixer of the flare unit is connected to the flange of the flare stack by means of three identical vertically oriented supports, each of which is made in the form of two plates movable relative to each other. The disadvantage of the well-known head is that it

предназначен для сжигания только одного вида топлива - попутного нефтяного газа с большим содержанием азота и не предназначен для сжигания одновременно двух видов топлив, характеризующихся разным химическим составом.is intended for combustion of only one type of fuel - associated petroleum gas with a high nitrogen content and is not intended for simultaneous combustion of two types of fuels characterized by different chemical composition.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана корпусная газовая горелка (RU 2120084 C1, МПК F23D 14/20, опубл. 10.10.1998). Горелка содержит две коаксиально расположенные центральную и внешнюю газовые камеры, выполненные с возможностью подачи в них газов с разным химическим составом. Газовые камеры снабжены газовыпускными радиальными и осевыми соплами, при этом газовыпускные сопла центральной и внешней газовых камер расположены в радиальной плоскости горелки друг относительно друга на катетах прямоугольного треугольника, стороны которого образованы боковой поверхностью корпуса одной газовой камеры и фронтальной поверхностью корпуса второй газовой камеры.The closest technical solution to the claimed invention and selected as a prototype is recognized as a housing gas burner (RU 2120084 C1, IPC F23D 14/20, publ. 10.10.1998). The burner contains two coaxially located central and outer gas chambers, made with the possibility of supplying gases with different chemical composition into them. The gas chambers are equipped with gas outlet radial and axial nozzles, while the gas outlet nozzles of the central and outer gas chambers are located in the radial plane of the burner relative to each other on the legs of a right triangle, the sides of which are formed by the side surface of the body of one gas chamber and the front surface of the body of the second gas chamber.

Недостатком газовой горелки является отсутствие в ее конструкций узла, обеспечивающего регулирование интенсивности подачи воздуха в зону горения, что снижает возможности устройства по регулированию параметров факела.The disadvantage of a gas burner is the absence in its design of the unit that provides regulation of the intensity of air supply to the combustion zone, which reduces the ability of the device to control the parameters of the torch.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение сжигания с помощью горелочного устройства двух видов топлива с возможностью регулирования интенсивности подачи воздуха в зону горения и контролем давления в газовых камерах горелки.The technical problem to be solved by the claimed invention is to ensure the combustion of two types of fuel with the help of a burner device with the ability to control the intensity of air supply to the combustion zone and control the pressure in the gas chambers of the burner.

Указанная задача решена тем, что горелочное устройство содержит первую и вторую газовые камеры, при этом основой устройства является цилиндрический корпус с переменным диаметром, выполненный двухступенчатым; первая ступень цилиндрического корпуса имеет больший диаметр, по сравнению со второй ступенью, на боковой поверхности первой ступени закреплены первый и второй патрубки, сообщающиеся с внутренней полостью корпуса, образующей первую газовую камеру, а на конце второй ступени цилиндрического корпуса выполнены сквозные отверстия. Первый патрубок снабжен первым краном и выполнен с возможностью подключения к нему первой газовой линии, а второй патрубок выполнен с возможностью подключения к нему первого манометра. Внутри цилиндрического корпуса и соосно ему закреплена труба, внутренняя полость которой образует вторую газовую камеру; первый конец трубы выведен за пределы первой ступени цилиндрического корпуса, снабжен вторым краном и выполнен с возможностью подключения к нему второй газовой линии, при этом на боковой поверхности первого конца трубы закреплен третий патрубок, сообщающийся со второй газовой камерой, выполненный с возможностью подключения к нему второго манометра, а второй конец упомянутой трубы выведен в топочное пространство газопотребляющего оборудования. На внешней поверхности второй ступени корпуса закреплена заслонка и подвижно с натягом установлен кожух, содержащий внутренний и внешний каналы подачи воздуха в зону горения.This problem is solved by the fact that the burner device contains the first and second gas chambers, while the basis of the device is a cylindrical body with a variable diameter, made two-stage; the first stage of the cylindrical body has a larger diameter compared to the second stage, the first and second branch pipes are fixed on the side surface of the first stage, communicating with the internal cavity of the body forming the first gas chamber, and through holes are made at the end of the second stage of the cylindrical body. The first branch pipe is equipped with the first cock and is configured to connect the first gas line to it, and the second branch pipe is configured to connect the first pressure gauge to it. A pipe is fixed inside the cylindrical body and coaxially to it, the inner cavity of which forms the second gas chamber; the first end of the pipe is brought out of the first stage of the cylindrical body, is equipped with a second cock and is configured to connect the second gas line to it, while on the side surface of the first end of the pipe the third branch pipe is fixed, communicating with the second gas chamber, configured to connect the second pressure gauge, and the second end of said pipe is brought into the furnace space of the gas-consuming equipment. A damper is fixed on the outer surface of the second stage of the housing, and a casing is movably installed with an interference fit, containing internal and external channels for supplying air to the combustion zone.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков изобретения, является повышение эффективности сжигания попутного нефтяного газа на нефтегазовых месторождениях и нефтепроводах, за счет применения в конструкции горелки двух газовых камер, обеспечивающих возможность одновременного сжигания в факеле газовых смесей, характеризующихся различными составами, и корпуса с переменным диаметром, обеспечивающим увеличение тяги во второй ступени цилиндрического корпуса при одинаковом давлении в первой и второй газовых линиях за счет эффекта Вентури. Последнее позволяет подавать по первой газовой линии в горелку природный газ, содержащий меньшее количество примесей, что в итоге обеспечивает лучшее дожигание газовой смеси, образующейся на выходе первой и второй газовых камер.A positive technical result provided by the set of features of the invention disclosed above is an increase in the efficiency of associated petroleum gas combustion in oil and gas fields and oil pipelines, due to the use of two gas chambers in the burner design, which provide the possibility of simultaneous combustion of gas mixtures in the torch, characterized by different compositions, and a housing with variable diameter, providing an increase in thrust in the second stage of the cylindrical body at the same pressure in the first and second gas lines due to the Venturi effect. The latter makes it possible to supply natural gas containing a smaller amount of impurities through the first gas line to the burner, which ultimately provides better afterburning of the gas mixture formed at the outlet of the first and second gas chambers.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен внешний вид горелочного устройства в разрезе в изометрической проекции; на фиг. 2 приведен вид сбоку горелочного устройства в разрезе.The invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows the appearance of the burner device in section in isometric projection; in fig. 2 shows a side view of the burner in section.

Горелочное устройство имеет следующую конструкцию.The burner has the following design.

Его основой является цилиндрический корпус с переменным диаметром, выполненный двухступенчатым, при этом первая 1 ступень корпуса имеет больший диаметр, по сравнению со второй 2 ступенью. На боковой поверхности первой 1 ступени закреплены первый 3 и второй 4 патрубки, сообщающиеся с внутренней полостью 5 корпуса 1, образующей первую газовую камеру, а на конце второй 2 ступени цилиндрического корпуса выполнены сквозные отверстия 6. Первый 3 патрубок снабжен первым 7 краном и выполнен с возможностью подключения к нему первой газовой линии, а второй 4 патрубок выполнен с возможностью подключения к нему первого 8 манометра. Внутри цилиндрического корпуса и соосно ему закреплена труба 9, внутренняя полость 10 которой образует вторую газовую камеру; первый конец трубы 9 выведен за пределы первой ступени 1 цилиндрического корпуса, снабжен вторым 11 краном и выполнен с возможностью подключения к нему второй газовой линии, при этом на боковой поверхности первого конца трубы 9 закреплен третий 12 патрубок, сообщающийся со второй газовой камерой, выполненный с возможностью подключения к нему второго 13 манометра, а второй конец упомянутой трубы 9 выведен в топочное пространство газопотребляющего оборудования. На внешней поверхности второй 2 ступени корпуса закреплена заслонка 14 и подвижно с натягом установлен кожух 15, содержащий внутренний 16 и внешний 17 каналы подачи воздуха в зону горения.Its basis is a cylindrical body with a variable diameter, made two-stage, while the first 1st stage of the body has a larger diameter compared to the second 2nd stage. On the side surface of the first 1 stage, the first 3 and second 4 pipes are fixed, communicating with the internal cavity 5 of the body 1, which forms the first gas chamber, and through holes 6 are made at the end of the second 2 stage of the cylindrical body. The first 3 pipe is equipped with the first 7 tap and is made with the possibility of connecting the first gas line to it, and the second 4 branch pipe is made with the possibility of connecting the first 8 pressure gauge to it. A pipe 9 is fixed inside the cylindrical body and coaxially to it, the internal cavity 10 of which forms a second gas chamber; the first end of the pipe 9 is brought out of the first stage 1 of the cylindrical body, is equipped with a second valve 11 and is configured to connect a second gas line to it, while on the side surface of the first end of the pipe 9 a third pipe 12 is fixed, communicating with the second gas chamber, made with the possibility of connecting a second pressure gauge 13 to it, and the second end of the mentioned pipe 9 is led into the furnace space of the gas-consuming equipment. A damper 14 is fixed on the outer surface of the second stage 2 of the housing, and a casing 15 is movably installed with an interference fit, containing the inner 16 and outer 17 channels for supplying air to the combustion zone.

Горелочное устройство может быть выполнено с возможностью подключения его к системе автоматического управления горением. Автоматическая система управления горением в этом случае, предпочтительно, представляет собой промышленный контроллер, содержащий микропроцессорное ядро, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем, линии которого являются аналоговыми измерительными входами системы, и универсальными двунаправленными GPIO-портами ввода-вывода, подключенными к релейным силовым выходам автоматизированной системы управления горением.The burner device can be configured to be connected to an automatic combustion control system. The automatic combustion control system in this case is preferably an industrial controller containing a microprocessor core connected by a system bus to the FLASH program memory, SRAM data memory, a multichannel analog-to-digital converter, the lines of which are the analog measuring inputs of the system, and universal bidirectional GPIO input-output ports connected to the relay power outputs of the automated combustion control system.

В случае применения для управления горением автоматической системы/структура которой рассмотрена выше, первый 7 и второй 11 краны выполняют электромеханическими, а в качестве манометров 8 и 13 применяют цифровые приборы измерения давления, при этом силовые выходы автоматизированной системы подключают к электромеханическим кранам, а к измерительным входам системы подключают выходы цифровых приборов измерения давления. При выполнении горелочного устройства с ручным управлением в качестве первого 7 и второго 11 кранов применяют ручные шаровые краны, а в качестве манометров 8 и 13 применяют стрелочные приборы.If an automatic system/structure of which is discussed above is used to control combustion, the first 7 and second 11 taps are electromechanical, and digital pressure gauges are used as pressure gauges 8 and 13, while the power outputs of the automated system are connected to electromechanical taps, and to measuring the inputs of the system are connected to the outputs of digital pressure measuring instruments. When performing a burner device with manual control, manual ball valves are used as the first 7 and second 11 valves, and pointer instruments are used as pressure gauges 8 and 13.

Дополнительно на конце трубы 9 могут быть закреплены узел автоматического поджига, а также датчики вредных газов, например монооксида углерода и/или азота, выходы которых подключены к измерительным входам автоматической системы управления горением. Упомянутые датчики могут использоваться в качестве элементов отрицательной обратной связи для реализации алгоритмов автоматического управления факелом горелки.Additionally, at the end of the pipe 9, an automatic ignition unit can be fixed, as well as sensors of harmful gases, such as carbon monoxide and/or nitrogen, the outputs of which are connected to the measuring inputs of the automatic combustion control system. The mentioned sensors can be used as elements of negative feedback for the implementation of algorithms for automatic control of the burner flame.

Горелочное устройство работает следующим образом.The burner works as follows.

Первоначально горелочное устройство устанавливают горизонтально в топочном пространстве газопотребляющего оборудования. При этом предварительно изготавливают цилиндрический корпус, устанавливают в нем трубу 9, закрепляют сварочным соединением ее второй конец во второй 2 ступени цилиндрического корпуса, при этом первый конец трубы 9 оказывается выведенным за пределы первой ступени 1 цилиндрического корпуса, после чего к корпусу приваривают днище, герметизируя его. Далее на вторую 2 ступень цилиндрического корпуса посредством муфты 18 с натягом устанавливают кожух 15, закрепленный на муфте с помощью ребер 19.Initially, the burner is installed horizontally in the furnace space of the gas-consuming equipment. At the same time, a cylindrical body is prefabricated, a pipe 9 is installed in it, its second end is fixed with a welding joint in the second stage 2 of the cylindrical body, while the first end of the pipe 9 is brought out of the first stage 1 of the cylindrical body, after which the bottom is welded to the body, sealing his. Next, on the second 2nd stage of the cylindrical body, by means of the coupling 18, the casing 15 is installed with an interference fit, fixed to the coupling with the help of ribs 19.

Затем к первой и второй газовым камерам горелочного устройства подключают газовые линии, по которым подают газ первого (газ 1 на фиг. 2) и второго (газ 2 на фиг. 2) типов, при этом в первую камеру, образованную полостью 5, целесообразно подавать топливо более высокого качества, а во вторую камеру, образованную внутренней полостью 10 трубы 9, может подаваться попутный нефтяной газ, содержащий большое количество примесей азота. Далее, с помощью рукоятей, закрепленных на внешней поверхности кожуха 15 (на фигурах условно не показаны), сдвигают кожух 15 вдоль второй 2 ступени цилиндрического корпуса, регулируя зазор между нижним торцом кожуха 15 и заслонкой 14, задавая тем самым требуемую интенсивность подачи воздуха по каналу 16 в зону горения.Then, gas lines are connected to the first and second gas chambers of the burner device, through which gas of the first (gas 1 in Fig. 2) and second (gas 2 in Fig. 2) types are supplied, while it is advisable to supply gas to the first chamber formed by cavity 5 fuel of higher quality, and in the second chamber formed by the internal cavity 10 of the pipe 9, associated petroleum gas containing a large amount of nitrogen impurities can be supplied. Further, with the help of handles fixed on the outer surface of the casing 15 (not shown conventionally in the figures), the casing 15 is shifted along the second stage 2 of the cylindrical body, adjusting the gap between the lower end of the casing 15 and the damper 14, thereby setting the required intensity of air supply through the channel 16 into the combustion zone.

Затем, в случае применения автоматической системы управления горением, активируют управляющую программу системы, а в случае применения ручного управления горел очным устройством краны 7 и 11 открывают вручную и, ориентируясь на показания манометров, регулируют интенсивность подачи топлива в газовые камеры.Then, in the case of using an automatic combustion control system, the control program of the system is activated, and in the case of manual control of the burner device, valves 7 and 11 are opened manually and, focusing on the readings of pressure gauges, regulate the intensity of fuel supply to the gas chambers.

В случае применения автоматической системы управления горением поджиг газа осуществляется автоматически, а управление его подачей выполняется на основе показаний цифровых приборов измерения давления и газовых датчиков. В ручном режиме работы поджиг выполняют в ручном или полуавтоматическом режиме, используя для этого, например, устройство дистанционного поджига газа, а управление горелкой осуществляется оператором на основе визуального контроля факела и показаний манометров.In the case of using an automatic combustion control system, gas is ignited automatically, and its supply is controlled based on the readings of digital pressure measuring instruments and gas sensors. In manual mode, ignition is performed in manual or semi-automatic mode, using, for example, a remote gas ignition device, and the burner is controlled by the operator based on visual control of the torch and pressure gauge readings.

При горении газ первого типа, поступающий в зону горения по внутренней полости второй 2 ступени цилиндрического корпуса через отверстия 6, смешивается с газом второго типа, поступающим по каналу 10, и воздухом, поступающим по внутреннему 16 и внешнему 17 каналам подачи воздуха, и сгорает в растянутом диффузионном факеле. При этом за счет применения подвижного кожуха 15, заслонки 14, кранов 7, 11 и компоновки первой и второй газовых камер обеспечиваются высокие пределы регулирования работы устройства, в том числе, за счет исключения проскока пламени внутрь горелки. Конструкция устройства обеспечивает температуру подогрева газа и воздуха, подаваемых через горелку, в пределах от 800 до 2000°С вследствие того, что температура факела ограничивается только стойкостью корпуса, трубы 9 и кожуха 15 горелки.During combustion, the gas of the first type entering the combustion zone through the internal cavity of the second stage 2 of the cylindrical body through holes 6 is mixed with the second type gas entering through channel 10 and air entering through the internal 16 and external 17 air supply channels, and burns in stretched diffusion jet. At the same time, due to the use of a movable casing 15, a damper 14, valves 7, 11 and the layout of the first and second gas chambers, high limits for regulating the operation of the device are provided, including by eliminating the flashback of the flame into the burner. The design of the device ensures the temperature of heating the gas and air supplied through the burner, in the range from 800 to 2000°C due to the fact that the flame temperature is limited only by the resistance of the body, pipe 9 and casing 15 of the burner.

Для повышения интенсивности горения в конструкции кожуха горелки может быть предусмотрен дополнительный входной патрубок, устанавливаемый по касательной к внешней цилиндрической поверхности кожуха (на фигурах условно не показан) с образованием дополнительного канала 20, при подаче воздуха через который обеспечивается турбулентное течение воздушной среды и улучшение перемешивания газовоздушной смеси в зоне горения факела. Дополнительно повышение эффективности сжигания газа может достигаться за счет подключения горелки к системе автоматического управления горением.To increase the intensity of combustion in the design of the burner casing, an additional inlet pipe can be provided, installed tangentially to the outer cylindrical surface of the casing (not shown in the figures) with the formation of an additional channel 20, when air is supplied through which a turbulent flow of the air medium is ensured and an improvement in the mixing of the gas-air mixtures in the combustion zone of the torch. Additionally, increasing the efficiency of gas combustion can be achieved by connecting the burner to an automatic combustion control system.

Таким образом, рассмотренное в настоящей заявке техническое решение, является высокотехнологичным горелочным устройством, обеспечивающим повышение эффективности сжигания газа, в том числе попутного нефтяного газа, и может найти применение в конструкции теплогенераторов различного назначения или путевых подогревателей нефти.Thus, the technical solution considered in this application is a high-tech burner device that improves the efficiency of gas combustion, including associated petroleum gas, and can be used in the design of heat generators for various purposes or oil line heaters.

Claims

1. A burner device containing the first and second gas chambers, characterized in that the basis of the device is a cylindrical body with a variable diameter, made in two stages, the first stage of the cylindrical body has a larger diameter compared to the second stage, the first and the second branch pipes communicating with the internal cavity of the body, forming the first gas chamber, and through holes are made at the end of the second stage of the cylindrical body, the first branch pipe is equipped with the first valve and is configured to connect the first gas line to it, and the second branch pipe is configured to connect to it of the first pressure gauge, a pipe is fixed inside the cylindrical body and coaxially to it, the internal cavity of which forms a second gas chamber, the first end of the pipe is brought out of the first stage of the cylindrical body, equipped with a second valve and configured to connect a second gas line to it, while e In addition, a third branch pipe is fixed on the side surface of the first end of the pipe, communicating with the second gas chamber, configured to connect a second pressure gauge to it, and the second end of the said pipe is led into the furnace space of the gas-consuming equipment, a damper is fixed on the outer surface of the second stage of the housing and is movable with an interference fit a casing is installed containing internal and external channels for supplying air to the combustion zone.

2. The device according to claim 1, characterized in that manual ball valves are used as the first and second valves.

3. The device according to claim. 1, characterized in that the first and second taps are electromechanical.

4. The device according to claim 1, characterized in that pointer instruments are used as pressure gauges.

5. The device according to claim. 1, characterized in that digital pressure measuring instruments are used as pressure gauges.