Теплогенератор

Изобретение относится к теплообменным устройствам для подогрева жидких или газообразных сред и может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Известно устройство для подогрева воды в резервуаре (патент РФ №2520133, опубл. 20.06.2014, ОАО "Завод "Нефтегазмаш", г. Саратов), содержащее горелку, вентилятор, расположенную в подогреваемой среде U-образную жаровую трубу и дымовую трубу. Сложная конструкция устройства обусловлена необходимостью укрытия горелки, прочной фиксации жаровой трубы в пространстве резервуара. Недостатками являются также неравномерность нагрева жидкости в резервуаре и невозможность использования в горелке попутного нефтяного газа (ПНГ).

Известен блок утилизатор-рекуператор попутного нефтяного газа (патент на полезную модель №118400, 20.07.2012, Рыков О.В.), содержащий кожух (корпус по описанию), с установленными входными и выходными патрубками для нагреваемых агентов, шнековым завихрителем для более интенсивного теплообмена. В кожухе по типу «труба в трубе» размещен корпус топки открытого типа, в которой установлен факельный оголовок с возможностью подачи топлива. Блок позволяет одновременно нагревать два различных агента (например, жидкий и газообразный). Газообразный агент пропускают в межтрубном пространстве кожуха и топки. Недостатками являются:

- необходимость монтажа трубы для подачи агента и/или завихрителя на внутренней поверхности кожуха, что требует значительных материальных затрат при изготовлении,

- неравномерность нагрева топки. При этом даже открытая топка не обеспечивает возможность сжигания ПНГ с высоким содержанием негорючих газов. Это ведет либо к необходимости дополнительных затрат на утилизацию такого ПНГ, либо к загрязняющим выбросам, значительно воздействующим на окружающую среду, что контролируется законодательно,

- затрудненный контроль наличия пламени в оголовке, что снижает безопасное функционирование блока.

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является установка рекуператорная УР-10/1,4 (ООО НПФ «Нефтегазовые системы», Г. Казань), содержащая несущую трубу корпуса (кожуха внешнего) с воздухозаборниками, внутри которой расположены кожух внутренний, устройство горелочное, а также запальную горелку. Вокруг внутреннего кожуха навита труба в виде змеевика для принудительной циркуляции теплоносителя (нагреваемого агента). К недостаткам установки относятся: трудоемкость сборки (изготовление и установка внутреннего кожуха); наличие и необходимость постоянной работы дежурной горелки для поддержания пламени устройства горелочного; необходимость контроля давления на входе устройства горелочного для исключения отрыва/прроскока пламени и регулирования температуры нагреваемого агента; невозможность утилизации ПНГ с высоким содержанием азота (до 95%).

Задачей предлагаемого изобретения является исключение вышеуказанных недостатков в конструкции теплогенератора (ТГ), обеспечивающего регулируемый нагрев хотя бы одного вида теплоносителя, эффективную утилизацию ПНГ любого состава (в том числе забалластированного ПНГ I ступени сепарации с содержанием азота более 80%-98%), возможность минимального регулирования подачи топлива к горелочному устройству ТГ. Конструкция должна обеспечивать удобство при монтаже и обслуживании, снижающее стоимость самого устройства и затраты при его эксплуатации, а также расширить диапазон использования энергии от утилизации ПНГ на месторождениях, экономить топливо высокого качества в процессе переработки добываемого сырья.

Заявленный технический результат достигается в теплогенераторе (ТГ), содержащем металлические корпус с воздухозаборниками и хотя бы одним смотровым отверстием, хотя бы один закрепленный на корпусе змеевик для теплоносителя, закрытый кожухом змеевика, а также установленное в корпусе практически соосно с ним устройство горелочное (УГ), содержащее хотя бы один канал подачи топлива и оголовок. ТГ выполнен с возможностью подключения к регулируемым системе подачи топлива в УГ и системе подачи теплоносителя в змеевик. При этом УГ является устройством диффузионно-инжекционного типа, установлено с возможностью перемещения вдоль оси корпуса посредством регулирующего механизма (любого из известных) и подключено к внешней системе подачи топлива посредством гибкого соединения - гибкой подводки, проходящей через хотя бы одно отверстие в корпусе УГ. Кроме того, упомянутый канал подачи топлива снабжен рассекателем, а вокруг оголовка УГ с радиальными зазорами с корпусом и оголовком УГ установлен кожух устройства горелочного.

Диффузионно-инжекционное УГ позволяет максимально эффективно утилизировать ПНГ любого качества даже при существенных перепадах давления в системе подачи топлива, а регулирование положения УГ вдоль оси корпуса ТГ - менять степень нагрева теплоносителя как при стабильном, так и при меняющемся давлении в системе подачи топлива без регулирования подачи топлива и самого теплоносителя. Кожух УГ, установленный с образованием сквозных (открытых снизу и сверху) кольцевых объемов между корпусом, кожухом и УГ, обеспечивает постоянный естественный приток воздуха для поддержания пламени, поступающий через воздухозаборники, выполняет теплозащитную функцию, долго сохраняя высокую температуру разогретого пламенем оголовка (для лучшего сгорания ПНГ и в случае понижения давления). Тепло оголовка передается через кожух УГ к корпусу и теплоносителю.

Расположение змеевиков для теплоносителя снаружи корпуса обуславливает удобство их установки и последующего монтажа теплоизоляционного кожуха, возможность обслуживания, съема и замены змеевиков без остановки УГ и ТГ в целом, что существенно сокращает затраты на техническое обслуживание. Кроме того, возможно использование более экономичных материалов для этих элементов, так как обеспечивается значительно более мягкий температурный режим, нежели при расположении змеевика между корпусом и ГУ.

Целесообразно, чтобы воздухозаборники были выполнены регулируемыми.

Целесообразно, чтобы в кожухе змеевика были выполнены вентиляционные отверстия, а в местах примыкания кожуха змеевика к корпусу был установлен теплоизоляционный материал (теплоизоляция), что предохраняет кожух от перегрева.

Целесообразно, чтобы корпус был снабжен хотя бы одним датчиком температуры.

Целесообразно, чтобы в кожухе оголовка были выполнены хотя бы два отверстия, расположенные по окружности кожуха, предпочтительно на разной высоте для охлаждения кожуха при работе на максимальных нагрузках.

В качестве УГ может быть использовано любое из известных устройств диффузионно-инжекционного типа, обладающих свойством безаварийной устойчивой работы даже при больших перепадах давления топлива. В том числе устройство горелки по патенту РФ на изобретение №2079049 (опубл. 10.05.1997), горелка универсальная по патенту РФ на изобретение №2522341 (06.03.2013), горелочные устройства по патенту РФ на полезную модель №134288 (06.05.2013), горелка для сжигания газообразного и/или жидкого топлива по заявке на выдачу патента РФ на изобретение №2013150460 (12.11.2013). Использование таких УГ позволяет избежать необходимости затрат на работу дежурной горелки, необходимой для безаварийной работы обычных УГ.

В данной реализации ТГ устройство горелочное (УГ) содержит металлические расположенные практически соосно трубопровод и практически цилиндрическую вставку с первым (центральным) каналом подачи топлива, образующую в трубопроводе расширяющийся второй (кольцевой) канал подачи топлива. Деталь трубопровода содержит расположенные последовательно основание, диффузор и оголовок с множеством форсуночных отверстий (боковые струйные выходы кольцевого канала) на его боковой поверхности. При этом на торцевой поверхности оголовка (торец оголовка) выполнены хотя бы пять форсуночных отверстий (торцевых струйных выходов кольцевого канала), а на выступающей за оголовок выпуклой части вставки выполнено множество форсуночных отверстий (струйных выходов центрального канала).

Внутренний диаметр оголовка больше внутреннего диаметра основания. Во вставке и в диффузоре трубопровода установлены практически соосно с трубопроводом соответственно первый и второй рассекатели с множеством форсуночных отверстий. Рассекатели при падении давления топлива являются огнепреградителями, предотвращающими проскок пламени в систему подачи топлива.

Предлагаемое техническое решение УГ позволяет минимизировать расход топлива высокого качества и исключить выброс вредных веществ в атмосферу при безопасном сжигании забалластированного ПНГ, обладает простотой и экономичностью при изготовлении и обслуживании. Конструкция УГ является универсальной, может использоваться для сжигания газообразного топлива различной насыщенности по содержанию азота и других негорючих газов в топках печей нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов и т.д.. Кроме того, УГ с кожухом может использоваться как автономная факельная установка для утилизации ПНГ. Размеры УГ определяются из его назначения.

Целесообразно, чтобы выпуклая часть вставки была выполнена в виде стакана, а на его дне (образует торец вставки) было выполнено хотя бы пять из множества форсуночных отверстий.

Целесообразно, чтобы первый рассекатель был установлен в диффузоре.

Целесообразно, чтобы диффузор был выполнен конусообразным.

Целесообразно, чтобы кожух УГ выступал за выпуклую часть вставки, играя роль топки для УГ. УГ и кожух составляют факельную установку.

Предложенные теплогенератор и устройство горелочное диффузионно-инжекционного типа имеют надежную конструкцию, не требующую существенных материальных затрат при изготовлении и эксплуатации.

Далее осуществление и работа ТГ с входящим в его состав УГ будут показаны в одном из их предпочтительных вариантов исполнений.

Фиг. 1 - схематический чертеж теплогенератора в предпочтительном варианте. Фиг. 2 - схематический чертеж устройства горелочного в одном из предпочтительных вариантов исполнения (с цилиндрическим диффузором).

Теплогенератор (ТГ), представленный на фиг. 1, содержит корпус 1, установленные на его внешней поверхности два змеевика 2, каждый из которых закрыт кожухом змеевика 3, и устройство горелочное 4 (УГ), установленное с радиальным зазором внутри корпуса на регулирующем механизме 5 (РМ) и подключенное к внешней системе подачи топлива (не показана) посредством гибкой подводки 6. В корпусе выполнены отверстия различного размера, формы и назначения: в нижней части корпуса - регулируемые воздухозаборники 7 с шиберами, хотя бы одно отверстие для гибкой подводки (два в данной реализации), хотя бы одно отверстие для установки РМ (два в данной реализации), на разной высоте корпуса - два смотровых отверстия 8, которые могут использовать и как запальные для розжига УГ; в верхней части корпуса отверстие для установки датчика температуры дымовых газов 9. Отверстия могут быть снабжены направляющими патрубками, в некоторых дополнительно установлена теплоизоляция (например, в отверстиях для гибкой подводки, для датчика).

Кожухи змеевиков могут быть выполнены и закреплены на корпусе любыми известными способами. В данной реализации коробчатые кожухи установлены на кронштейнах. В кожухах выполнены вентиляционные отверстия 10, в местах примыкания кожуха змеевика к корпусу установлена теплоизоляция 11. При вертикальном расположении змеевиков соединение с системами подачи/отвода теплоносителей может осуществляться снизу через вырезы в кожухах. В других вариантах исполнения может быть предусмотрен общий кожух для обоих змеевиков.

Вокруг УГ закреплен кожух устройства горелочного 12 с образованием между ним, УГ и корпусом радиальных зазоров. В кожухе 12 выполнены хотя бы два вентиляционных отверстия 13. В данной реализации отверстия 13 выполнены по окружности кожуха двумя группами (по два вертикально расположенных отверстия в группе) напротив друг друга для охлаждения кожуха на максимальных нагрузках и закручивания потока воздуха для лучшего горения при минимальных нагрузках.

Диффузионно-инжекционное УГ 4, изображенное на фиг. 2, содержит цилиндрические основание 21, диффузор 22, оголовок 23, образующие деталь трубопровода, и выступающую за торец оголовка своей выпуклой частью вставку 24. Посредством форсуночных отверстий выполнены:

- в центральном канале 26 на выступающей стаканообразной части вставки множество струйных выходов центрального канала 27. При этом на дне стакана (на торце вставки) выполнено в данной реализации пять струйных выходов - один в центре и четыре разнесены равномерно, а остальные расположены на боковой поверхности стакана;

- в расширяющемся кольцевом канале 28 на боковой поверхности оголовка - множество боковых струйных выходов кольцевого канала 29, а на кольцевой детали торца трубопровода - более четырех (шестнадцать в данной реализации) торцевых струйных выходов кольцевого канала 30.

Входные торцы каналов, противоположные торцам со струйными выходами, заглушены. Кольцевые детали на торцах трубопровода позволяют также закрепить вставку. В центральном канале вставки установлен первый рассекатель 31, в диффузоре кольцевого канала трубопровода - второй рассекатель 32 с множествами форсуночных отверстий 33. Первый рассекатель установлен ниже второго. Оба рассекателя установлены в каналах соосно, выполнены пластинчатыми (могут быть конусообразной, сферической формы и т.п.).

Цилиндрические оголовок и диффузор имеют большие диаметры, чем основание, упрощая установку ступенчатой детали трубопровода УГ на РМ 5. УГ могут устанавливать другими способами в зависимости от выбранного РМ (например, на специально предусмотренных гнездах, упорах, кольцах основания или диффузора УГ, в направляющих желобах на основании УГ и т.п.).

В качестве РМ могут быть использованы широко известные механизмы различного типа, например рычажный, блочный либо винтовой (передача винт-гайка). РМ содержит регулятор (например, одна, две, три детали, выведенные наружу через специальные отверстия в корпусе) и выполнен с возможностью установки УГ на держателе РМ (в зависимости от типа РМ - одна кольцевая деталь, две дугообразные детали, кольца и т.п.). Отверстия в корпусе также могут иметь разную форму в зависимости от типа РМ. РМ может перемещать

Привод РМ также может быть различным - механическим, пневматическим, гидравлическим, электрическим.

Системы подачи топлива (газообразного или легких фракций нефти) в каждый из каналов УГ, теплоносителей в каждый из змеевиков, а также воздухозаборники являются регулируемыми. Подачу топлива и теплоносителей, степень подъема шиберов воздухозаборников регулируют по необходимости, в том числе исходя из показаний датчиков температуры теплоносителей, дымовых газов, - вручную либо посредством автоматизированных систем управления. УГ подключено к системе подачи топлива посредством патрубков и фланцевых соединений с помощью гибкой подводки 6 (например, газовые металлорукава), выполненной из жаропрочного материала.

Детали и комплектующие ТГ являются в основном металлическими (кроме изолирующих материалов). Детали изготавливают (резаньем, сваркой, сгибанием, сверлением - перфорация для струйных выходов) из листового материала и труб различного диаметра. Варианты исполнения могут быть различными. Например, цилиндрический корпус может иметь дно, кожух 3 может быть выполнен из одной или нескольких деталей, может быть съемным, открывающимся и т.д. Выполнение кожухов 3 съемными существенно упрощает сборку, обслуживание и ремонт установки.

Тип, размеры, толщина материалов, разница диаметров заготовок для изготовления РМ, корпуса, деталей УГ - оголовка, основания, кожуха, может быть различной в разных устройствах, и определяется с учетом получения конкретных параметров ТГ и УГ, максимальной суммарной мощности системы, к которой подключают УГ, и т.п.

Например, при плановом расходе газа от 35000 до 50000 м³/сут цилиндр корпуса выполняют из жаропрочной или нержавеющей стали толщиной 10-12 мм диаметром не менее 2 м, высотой от 8 до 10 м, УГ - из жаропрочной стали диаметром 200 мм, змеевик - из обычной стали диаметром от 50 до 150 мм, дно может быть выполнено из обычной стали Ст20, ВСт3сп2.

Корпус (топку ТГ) устанавливают на железобетонный фундамент, заземляют. С наружной стороны корпуса приваривают кронштейны, на которые навешивают вертикально, наклонно или горизонтально два продуктовых змеевика. Снаружи змеевики закрывают коробчатыми теплоизоляционными кожухами 3 (внешний диаметр до 2,8 м), прокладывая теплоизоляцию в местах примыкания кожухов к корпусу. Кожухи защищают змеевики также от внешних воздействий. Змеевик не примыкает вплотную ни к корпусу, ни к кожуху.

В корпусе ТГ устанавливают РМ 5, выводя регулятор РМ наружу через специальные отверстия в нижней части корпуса. На держатель РМ внутри корпуса устанавливают УГ 4 с жестко закрепленным (например, посредством штыревых соединителей) кожухом 12. Оптимально, чтобы оголовок УГ был установлен на одном уровне со змеевиками. Кожух 12 установлен так, что образует сквозные кольцевые объемы с оголовком УГ и корпусом ТГ. Это, с одной стороны, обеспечивает постоянный естественный приток воздуха для поддержания и направления пламени, с другой - позволяет сохранять и передавать накопленную тепловую энергию оголовку (для поддержания пламени на низких нагрузках и саморозжига после временного прекращения подачи топлива на УГ) и корпусу (для равномерного нагрева теплоносителя).

РМ позволяет при необходимости перемещать УГ с кожухом вертикально вдоль оси корпуса (плавно либо дискретно).

Далее производят нижнее подключение змеевиков к автономным системам подачи/отвода теплоносителей (возможна подача двух различных сред). Патрубки каналов УГ соединяют с системой подачи топлива гибкой подводкой. В данной реализации центральный канал подключают к трубопроводу с горючим ПНГ второй ступени сепарации, кольцевой - к трубопроводу с ПНГ первой ступени сепарации ПНГ (в том числе забалластированным). Могут быть другие известные варианты подачи топлива. Как правило, осуществляют подключение, при котором топливо в кольцевом канале имеет не лучшие характеристики горючести по отношению к топливу в центральном канале.

Перед УГ каждый из трубопроводов системы снабжен рабочим краном, свечой безопасности, клапаном безопасности. Перед клапаном безопасности на газопроводе устанавливают ручное запальное устройство. Конструкция УГ со встроенными рассекателями позволяет не устанавливать огнепреградители в трубопроводах.

Заполняют змеевики теплоносителями, приводя системы подачи/отвода теплоносителей в рабочее состояние (в режим циркуляции либо подачи/отвода). Проводят контрольную опрессовку газопроводов системы подачи топлива и всего оборудования ТГ. Далее - подачей топлива - продувку газом обоих газопроводов и газооборудования ТГ для удаления воздуха. Проводят вентиляцию топки при открытых воздухозаборниках (возможно с принудительной подачей воздуха). Опускают шибера, практически перекрывая воздухозаборники.

Розжиг УГ производят в режиме работы на низких нагрузках. Первичный пуск УГ производят от разожженного ручного запального устройства (РЗУ) через верхнее смотровое отверстие 8. Для этого постепенно открывают доступ топлива в центральный канал, производят розжиг топлива, выходящего через множество струйных выходов центрального канала, с образованием центрального пламени. Постепенно открывают доступ топлива в кольцевой канал до розжига струй топлива из торцевых и боковых выходов кольцевого канала, которые воспламеняются центральным пламенем с образованием опоясывающего оголовок пламени. Расширение кольцевого канала и второй рассекатель в диффузоре, замедляя скорость газа, дают выход легким (без излишнего нагрева). Тяжелые составляющие ПНГ прогорают полностью. После установления устойчивого горения и прогрева УГ и кожуха 12 увеличивают нагрузку на УГ, постепенно открывая рабочие краны перед УГ. При необходимости регулируют размер вентиляционных отверстий воздухозаборников. При необходимости размер пламени УГ меняют регулированием рабочих кранов перед УГ. Поток воздуха в зазоре между оголовком и нагревающимся кожухом УГ направляет и ускоряет газы, создавая устойчивое (без отрыва) горение общего пламени. Проскоки пламени в систему подачи топлива при падении давления предупреждаются рассекателями. Они являются огнепреградителями втягивающегося внутрь пламени. При этом горение ПНГ в оголовке продолжается. За счет того, что первый рассекатель установлен ниже второго, скорость топлива в центральном канале увеличивается, позволяя экономить топливо более высокого качества, а также равномерно прогревать окружающий УГ объем (важно при установке УГ в топках нагрева нефти, путевых подогревателей, паровых и водогрейных котлов).

Повторный розжиг УГ производят с помощью электрозапального устройства, установленного в корпусе. Кроме того, при возобновлении подачи топлива после небольших перерывов работы УГ может производиться саморозжиг УГ, пока кожух 12 сохраняет достаточное количество тепловой энергии для воспламенения, чему дополнительно способствует корпус. Увеличение длины кожуха 12 увеличивает теплоотдачу от кожуха к корпусу, а при автономном использовании факельной установки кожух 12 образует топку УГ для более эффективного сжигания ПНГ. Датчик 9 температуры дымовых газов позволяет оценивать эффективность работы УГ.

Принцип работы ТГ основан на передаче тепла лучистым теплообменом от пламени УГ через кожух УГ и корпус к продуктовым змеевикам с циркулирующим либо протекающим в них теплоносителем. При этом пламя УГ непосредственно нагревает только кожух 12, не перегревая корпус ТГ, змеевики и кожухи 3, что позволяет экономить на обслуживании и материалах.

Температуру теплоносителя регулируют подъемом либо обратным спуском УГ вдоль оси корпуса посредством внешнего регулятора РМ 5, уменьшая либо увеличивая нагрев корпуса в области установки змеевиков. При перепадах давления в системе подачи топлива не требуется регулирование пламени и потока теплоносителей.

При остановке теплогенератора постепенно уменьшают нагрузку в кольцевом канале УГ, затем в центральном. Для полной остановки закрывают оба крана, открывают краны на свечах безопасности.

Предлагаемые конструкции ТГ и УГ позволяют работать без проскоков и отрывов пламени на газе любого качества (в том числе природном, I, II, III ступеней сепарации) без применения газорегуляторных устройств даже при резких перепадах давления в системе подачи топлива (от 0,01 до 4 кгс/см²). ТГ и УГ различных габаритных размеров могут применяться на нефтяных и газовых месторождениях с различными объемами добычи ПНГ (от 120 м³/сут и более) для нагрева различных видов теплоносителей (в том числе для жизнеобеспечения месторождений).

1. Теплогенератор, содержащий металлические корпус с воздухозаборниками и смотровым отверстием, хотя бы один змеевик для теплоносителя, хотя бы один кожух змеевика, а также установленное в корпусе практически соосно устройство горелочное (УГ), содержащее хотя бы один канал подачи топлива и оголовок, выполненный с возможностью подключения к регулируемым системе подачи топлива в УГ и системе подачи теплоносителя в змеевик, отличающийся тем, что упомянутый змеевик установлен снаружи корпуса и закрыт упомянутым кожухом змеевика, в качестве УГ использовано УГ диффузионно-инжекционного типа, установленное с возможностью перемещения вдоль оси корпуса посредством регулирующего механизма, вокруг оголовка установлен кожух УГ с образованием радиальных зазоров с корпусом и УГ, при этом в упомянутый канал подачи топлива практически соосно установлен рассекатель с множеством форсуночных отверстий, а УГ подключено к системе подачи топлива посредством гибкого соединения.

2. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что воздухозаборники выполнены регулируемыми.

3. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в упомянутом кожухе змеевика выполнены вентиляционные отверстия, а в местах примыкания его к корпусу установлен теплоизоляционный материал.

4. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что на корпусе установлен хотя бы один датчик температуры.

5. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в кожухе УГ были выполнены хотя бы два отверстия, расположенные по окружности кожуха, предпочтительно на разной высоте.

6. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что УГ содержит расположенные практически соосно трубопровод из последовательно расположенных основания, диффузора и оголовка УГ и практически цилиндрическую вставку с центральным каналом подачи топлива, образующую в трубопроводе расширяющийся кольцевой канал подачи топлива, и выполнено с возможностью регулируемой подачи топлива в каждый из каналов, а оголовок УГ имеет множество боковых струйных и хотя бы пять торцевых струйных выходов кольцевого канала, на выступающей за оголовок выпуклой части вставки выполнено множество струйных выходов центрального канала, а во вставке и в диффузоре трубопровода практически соосно установлены соответственно первый и второй рассекатели с множеством форсуночныых отверстий.

7. Теплогенератор по п. 6, отличающийся тем, что кожух УГ выступает за выпуклую часть вставки.

8. Теплогенератор по п. 6, отличающийся тем, что выпуклая часть вставки выполнена в виде стакана, на дне которого выполнено хотя бы пять из множества струйных выходов центрального канала.

9. Теплогенератор по п. 6, отличающийся тем, что первый рассекатель установлен в диффузоре.

10. Теплогенератор по п. 6, отличающийся тем, что диффузор выполнен конусообразным.