Газовая горелка

(51) 23 14/64 (2006.01) 23 14/82 (2006.01) 23 14/46 (2006.01 КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Газовая горелка содержит газоподающую трубу с тройником, резьбовой пробкой, шибером с контргайкой,съемным соплом,канал предварительной подготовки,состоящий из конфузора, камеры смешения и диффузора с пальцами. Газоподающая труба соединена патрубком с резьбой, размещенный соосно с конфузором и закрепленный косынками. На палец диффузора с помощью Г образных пазок зафиксированы цилиндрические обоймы. Во внутренней обойме размещено микрофакельное устройство в виде пучка из прямоугольных труб с закрытым межтрубным пространством и кольцевым стабилизатором в виде канавки, нижней и наружной сторонах которого просверлены множество отверстий в шахматном порядке. Причем,внутренняя сторона расположена перпендикулярно,а наружная сторона под углом 90 относительно нижней части кольца. В канале между наружной цилиндрической обоймой и узлом крепления установлен лопаточный завихритель.(57) Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, промышленной теплоэнергетике и экологии, конкретно к газовой горелке,предназначенной для печей подогрева. Техническим результатом изобретения является улучшение технологических и экологических показателей печи с созданием эффективной газовой горелки. 24780 Настоящее изобретение относится к нефтегазовой промышленности, промышленной теплоэнергетике и экологии, конкретно - к газовой горелке, предназначенной для топливосжигающих установок с целью улучшения их теплотехнических и экологических характеристик, а также упрощения ремонтных работ и обслуживания газовой горелки. Вопросы промышленной и экологической безопасной эксплуатации печей подогрева нефти и воды, сжигающие попутные нефтяные и природные газы не нашли своего эффективного решения. В процессе работы они выбрасывают в атмосферу значительное количество вредных веществ (оксида углерода, сажи, углеводородов, бенз(а)пирина и других токсичных газов), нанося серьезный ущерб окружающей среде. Печи подогрева эксплуатируются с частыми нарушениями технологического режима (проскок, отрыв и гашение пламени), приводя к выходу из строя узлов,детали и самой конструкции горелки (коробление,высокотемпературная коррозия,прогорания элементов),что требуют осуществления внеплановых ремонтных работ,которые увеличивают непредвиденные финансовые затраты нефтегазовых компаний. В ходе исследования работы печей подогрева, заявителем обнаружено,что основной причиной вышеназванных проблем,является несовершенная конструкция эксплуатируемых горелок с ограниченным пределом регулирования режима работы. На сегодня применяются различные газовые горелки в печах подогрева, анализ их приведен ниже. Известны инжекционные горелки (Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л. Недра, 1980. - с.75-77, Иванов Ю.В. Основы расчета и проектирования газовых горелок. - М. Гостоптехиздат, 1963. -стр. 87,) для сжигания газового топлива, содержащие газоподающую трубу с соплом и шибером, систему предварительной подготовки топлива, состоящей из последовательно расположенного конфузора, камеры смешения,диффузора и выходной насадки для интенсификации процесса горения и стабилизации пламени. Недостатками горелок (Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л. Недра, 1980. с.75-77, Иванов Ю.В. Основы расчета и проектирования газовых горелок. М. Гостоптехиздат, 1963. - стр. 87, Предварительный патент РК 20633, 2006) является неспособность, в малых расходах газа, предотвратить проскок пламени вовнутрь горелки, приводящий к прогару конструкции и нарушению безопасной эксплуатации аппарата. Как известно, на проскок пламени влияют следующие факторы состав газа,диаметр выходного отверстия, режим истечения смеси, конструктивные особенности горелки. Во время добычи нефти часто наблюдается колебание параметров попутного газа (расход, состав,температура, плотность и т.д.), сжигаемое в качестве топлива в печах подогрева. При падении объема добываемого газа автоматически снижается и 2 расход топлива в горелку, что приводит к снижению скорости истечения газовой смеси на ее выходе. Известно, что для каждого диаметра выходного отверстия существует определенный диапазон устойчивой работы горелки, напрямую связанный со скоростью выходящего потока. В ходе снижения расхода газа, наступает момент, когда скорость распространения пламени, в какой-либо точке фронта горения, превышает скорость истечения газовоздушной смеси и возникает проскок пламени в горелку. Такая ситуация имеет место и в теплое время года, когда эксплуатационный персонал уменьшает подачу газа в горелку, чтобы обеспечить заданную температуру рабочей среды (нефть, вода). Поэтому очень часто устойчивая работа горелки регулируется ограниченной подачей первичного воздуха через шибер, вследствие чего, горелки часто эксплуатируются с наименьшим количеством первичного воздуха (чтобы не было проскока в горелку), что сопровождается низкой полнотой сгорания горючей смеси с образованием вредных промежуточных трудносгораемых радикалов из-за недостатка кислорода в зоне горения. Горелка (Предварительный патент РК 20633,2006) на определенных режимах повышает эффективность сжигания газообразного топлива, но,при дальнейшем увеличении расхода газа, работа горелки ухудшается, и имеют место обратный выход пламени факела через боковые отверстия цилиндрической обечайки горелки,из-за расширенного факела, не вмещающейся в амбразуру топочного устройства, так как выходная насадка горелки не размещена внутри топки гашение пламени из-за отсутствия устойчиво горящего кольца газа, поджигающее основной факел,поскольку иногда накопившийся конденсат в газовой линии впрыскивается в зону горения, тем самым затрудняя устойчивое сжигание газовоздушной смеси на выходе из горелки химический недожог газа, поскольку струи газовоздушной смеси, выходящие из открытых межтрубных участков пучка, способствуют слиянию микрофакелов, образующие единый факел, где поступление окислителя в центральную зону горения ограничено. Кроме того, периферийные микрофакела сильно нагревают центральные трубы пучка, что приводят к их высокотемпературной коррозии. Для всех горелок характерно сложность осмотра элементов, расположенных в топочной зоне,длительность ремонтных работ. В промышленных условиях в печах подогрева используются неочищенные и неосущенные попутные нефтяные газы,в составе которых присутствуют нефтепродукты, конденсат и другие побочные вещества, влияющие на режим работы газовой горелки. Например,нефтепродуктами часто забивается выходное отверстие съемного сопла, что резко снижает производительность горелки и скорость истечения газа, тем самым нарушая технологические режимы топливосжигающих установок. 24780 Наиболее близким к предложенной газовой горелке является горелка (Предварительный патент РК 20633, 2006). Отмеченные выше недостатки обнаружены заявителем в ходе исследования,как эксплуатируемых горелок (Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. - Л. Недра, 1980. с.75-77, Иванов Ю.В. Основы расчета и проектирования газовых горелок. М. Гостоптехиздат, 1963. - стр. 87), так и во время опытно-промышленных испытаний опытного образца (Предварительный патент РК 20633,2006) на действующих объектах нефтегазовых предприятий. Результатом решения технической задачи настоящего изобретения является полное сжигание газового топлива за счет интенсификации процесса смесеобразования, улучшение технологических и экологических показателей печи, увеличение пределов регулирования режимных параметров горелки, создание простой конструкции горелки, не требующей сложных процессов изготовления,обслуживания, монтажных и ремонтных работ. Поставленные задачи в объекте изобретения газовой горелки включают в себя новые признаки,которые не были выявлены в выше анализированных аналогах. Сжигаемый газ поступает в регулируемую газоподающую трубу 4 с тройником 2, резьбовой пробкой 1, шибером 5 с контрагайкой 3 и съемным соплом 9,в комплексе обеспечивающие оптимальные параметры устройства. Так регулирование расстояния между съемным соплом 9 и камеры смешения 10 осуществляется резьбовым соединением газоподающей трубы 4 и патрубка с резьбой 6, размещенный соосно и закрепленный с помощью косынок 8 на внутренней части конфузора 7, а также подбор съемного сопла 9 с соответствующим диаметром, позволяет установить необходимые соотношения количества и скорости газа и воздуха для качественной подготовки горючей смеси до горения. Кроме того, данное решение в промышленных условиях придает горелке универсальность, так как обычно, в одних и тех же топливосжигающих установках сжигаются попутные и природные газы с различными теплофизическими,химическими и газодинамическими характеристиками. Подготовленная горючая смесь после канала предварительной подготовки горючей смеси,состоящий из конфузора 7, камеры смешения 10 и дифузора 11, поступает в микрофакельное устройство в виде пучка из прямоугольных труб(МФУ) 19, причем сами трубы, соприкасаясь между собой, образуют закрытые межтрубные участки 18. МФУ 19 жестко установлен (например, сваркой) к внутренней цилиндрической обойме 17 с помощью кольцевого стабилизатора 21, который еще закрывает не заполненное пространство между МФУ 19 и внутренней цилиндрической обоймой 17. Наличие пучка из прямоугольных труб МФУ 19,стенки которых интенсивно охлаждаются газовоздушным потоком, с одной стороны исключают проскок пламени во внутрь горелки, и с другой стороны, создают отдельные микроочаги горения, обеспечивающих надежное поджигание истекающих струй газовоздушной смеси. Как видно из фиг.1 длина МФУ 19, выходящая за торцевой стороной узла крепления 14, закрепляемая на корпусе печи подогрева, позволяет удобно компоновать горелку сосно в горловине топочной камеры (не показано) печи подогорева, что в сочетании с ним МФУ 19 эжектирует необходимое количество вторичного воздуха в зону горения, за счет скорости истекающей струи газовоздушной смеси, причем поступающий через отверстие 15 поток вторичного воздуха закручивается лопатками завихрителя 16,установленный в канале,образованный между узлом крепления 14 и наружной цилиндрической обоймой 12. Таким образом, предлагаемое конструктивное решение и размещение МФУ 19 газовой горелки в топочном пространстве улучшает аэродинамические и теплообменные характеристики факела, в частности,до определенного расстояния сохраняется индивидуальность истекающей струи, что создает условия интенсивного смешения горючего газа с окислителем по всему объему потока,следовательно, повышается качество сжигания газового топлива и значительно снижается образование продуктов неполного горения, а также обеспечивается равномерное распределение температурного поля в каждом микрофакеле,значительное повышение температуры пламени и теплонапряжения в топочном объеме, сокращение общего размера факела, бесшумная работа горелки,даже при значительных ее теплонапряжениях. Немаловажным фактором является обеспечение устойчивой работы газовой горелки при высокофорсированных режимах, так как высокая скорость потока создает условия отрыва пламени или выброс в зону горения определенной порции конденсата из газовой линии, которая резко понижает температурный уровень в зоне горения, в результате чего, последующие потоки газа не нагреваются до температуры воспламенения. Поэтому нужен постоянный зажигательный пояс вокруг МФУ 19, что обеспечивается с помощью кольцевого стабилизатора 21,имеющего специальную форму в виде канавки с мелкими отверстиями 20, расположенные в шахматном порядке, причем внутренняя сторона кольцевого стабилизатора 21 выполнена перпендикулярно относительно нижней части и имеет определенную длину по ходу потока, а наружная сторона выполнена под углом 90 С и его вершина достигает до среза внутренней цилиндрической обоймы 17. Независимое горение зажигательного пояса обеспечивается во-первых, низкой скоростью потока, который поступает в отверстие кольцевого стабилизатора 21, так как истечения смеси близко к стенкам горелки всегда меньше чем, в других точках потока. Более того, диаметры отверстий 20 подобраны таким образом, что при любых скоростях основного потока скорость мелких струй 3 24780 всегда меньше основного. Во-вторых, внутренняя сторона кольцевого стабилизатора 21 исключает потухания мелких струй, истекающих из отверстий 20 при воздействии основного потока, а шахматное расположение и размещение отверстий 20 в нижней и боковой сторонах кольцевого стабилизатора 21 позволяют доступ окислителя мелким струям и образования двойного зажигательного пояса,которые не только поджигают свежие горючие смеси основного потока, но и поддерживают горение друг друга. Для проведения оперативных технических операций по обслуживанию, монтажу и ремонту элементов горелки,канал предварительной подготовки состоящий из конфузора 7, камеры смешения 10, диффузора 11 фиксируется пальцами 22 (не менее трех), насквозь установленные на выходной части диффузора 11, в Г образных пазках 23 (количество соответствует количеству палец) наружной цилиндрической обоймы 12, а МФУ 19 фиксируется Г образными пазками 23 внутренней цилиндрической обоймы 17 на пальцах 22, насквозь установленные на выходной части диффузора 11. Фиксация детали газовой горелки на Г образных пазках 23 осуществляется последовательно выполняемых операциями, сначала между собой подгоняются пальцы 22 и прямые канавки Г образных пазок 23, затем фиксируемая деталь сдвигается до упора,далее она поворачивается на определенный угол и фиксируется. Для очистки от загрязнения отверстия съемного сопла 9 предусмотрено в тройнике 2 резьбовая пробка 1. Это решение позволяет быстро и качественно очистить съемное сопло 9 без демонтажа всю конструкцию газовой горелки не выводя из эксплуатации на длительный период печи подогрева. На фиг. 1 изображена газовая горелка,продольный разрез на фиг.2 -вид А на фиг. 1. На фиг.1 представлен общий вид газовой горелки, где 1 - резьбовая пробка, 2 - тройник, 3 контргайка, 4 - газоподающая труба, 5 - шибер, 6 патрубок с резьбой, 7 - конфузор, 8 - косынка, 9 съемное сопло, 10 - камера смешения, 11 диффузор, 12 - наружная цилиндрическая обойма,13 -патрубок для запального устройства, 14 - узел крепления, 15 - отверстия для прохода вторичного воздуха, 16 - лопатка завихрителя, 17 внутренняя цилиндрическая обойма, 18 - межтрубные участки микрофакельного устройства, 19 - микрофакельное устройство в виде пучка из прямоугольных труб, 20- отверстия кольцевого стабилизатора, 21 кольцевой стабилизатор, 22 - палец, 23 - Г образная пазка. Горелка работает следующим образом. Поток попутного нефтяного или природного газа под избыточным давлением поступает в тройник 2 газоподающей трубы 4 и через съемное сопло 9 струя газа истекает в газовую горелку. На выходе из съемного сопла 9 струя газа имеет высокую скорость истечения, что создает в конфузоре 7 разряжение, за счет которого происходит 4 подсасывание первичного воздуха из окружающей среды в канал предварительной подготовки топлива,состоящий из конфузора 7, камеры смешения 10 и диффузора 11. Причем оптимальное соотношение газа и первичного воздуха для качественной подготовки газовоздушной смеси с учетом параметров сжигаемого газа (состав, плотность,температура, теплота сгорания и т.д.) регулируется во-первых, изменением расстояния между съемным соплом 9 и камеры смешения 10 с помощью резьбового соединения газоподающей трубы 4 и патрубка с резьбой 6, закрепленная косынками 8 на внутренней части конфузора 7 во-вторых, подбором съемного сопла 9 с соответствующим диаметром втретьих, шибером 5, место положения которого фиксируется контргайкой 3. В камере смешения 10 происходит процесс выравнивания поля скоростей газа и воздуха по сечению. Дальнейшее их перемешивание продолжается в диффузоре 11, где расширение газовоздушного потока приводит к значительному изменению условий движения,выражающихся в увеличении интенсивности турбулентности, замедлении скорости и возрастании статического давления газовоздушной смеси. После чего, частично подготовленная к горению газовоздушная смесь поступает в микрофакельное устройство 19 в виде пучка из прямоугольных труб,которое при монтаже газовой горелки размещается соосно в горловине топки (не показана рисунке) печи подогрева. Процесс воспламенения истекающего газовоздушной смеси на выходе из МФУ 19 в топку осуществляется поджигающим устройством через запальный патрубок 13,установленный под углом в узле крепления 14. Вторичное количество воздуха в зону горения поступает через отверстия 15 лопаточного завихрителя 16, установленного в канале,образованного между узлом крепления 14 и наружной цилиндрической обоймой 12. Установка режимного расхода сжигаемого газа в газовую горелку регулируется с помощью вентиля (не показан). Для определенного расхода газа, шибером 5 пропускается такое количество воздуха, чтобы обеспечивалась высокая полнота сгорания газа. Это можно определить по цвету факела, он должен быть сине-голубого или сине-березового цвета, что характеризует об отсутствии химического недожога и высокий КПД установки. Регулирование расхода газа может осуществляться в автоматическом режиме с помощью регуляторного устройства (не показано),которое связано с контрольно-измерительными приборами,фиксирующие теплотехнические(температура нефти, воды, факела, температурах уходящего газа и т.д.) и экологические характеристики (содержание оксидов углерода и азота, углеводородов и других газов) печи подогрева. Опытный образец изобретения прошел опытнопромышленные испытания на действующих печах подогрева нефтепромыслов Мангистауской области. Промышленные эксперименты опытного образца показали работоспособность газовой горелки во 24780 всех технологических режимах печей, получением следующих результатов устойчивое горение пламени улучшено качественное сжигание газовоздушной смеси, как в центре факела, так и на ее периферии достигнуто значительное повышение тепловыделения понижен уровень шума за счет подавления вибрационного горения отсутствует нагарообразования на поверхности элементов горелки не нагреваются элементы, находящиеся в зоне высоких температур. Таким образом, вышеуказанные существенные признаки, отличающее настоящее изобретение повышает безопасную эксплуатацию и срок службы газовой горелки снижает загрязнение окружающей среды вредными ингредиентами в виде сажи, оксида углерода и углеводородов и увеличивает полноту сгорания топлива расширяет возможность работы при переменных расходах и составах газового топлива сокращает время на модернизацию существующих технологии, значительно снижает экологические платежи за загрязнения воздушного бассейна уменьшает затраты на обслуживание и ремонт оборудования. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Газовая горелка для сжигания газового топлива, содержащая газоподающую трубу с соплом и шибером, систему предварительной подготовки топлива,состоящую из последовательно расположенных конфузора, камеры смешения,диффузора и выходной насадки для интенсификации процесса горения и стабилизации пламени, отличающаяся тем, что выходная насадка-микрофакельное устройство жестко установлена внутри внутренней цилиндрической обоймы, которая зафиксирована Г-образными пазками на пальцах, насквозь установленных на выходной части диффузора. 2. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что микрофакельное устройство размещено на торцевой стороне узла крепления, закрепляемого на корпусе печи подогрева. 3. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что она снабжена кольцевым стабилизатором в форме канавки, при этом его внутренняя сторона расположена перпендикулярно, а наружная сторона- под углом, меньшим 90 С относительно нижней части кольца. 4. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что отверстия кольцевого стабилизатора просверлены на его нижней и наружной сторонах,причем между собой в шахматном порядке. 5. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что в канале, образованном между узлом крепления и наружной цилиндрической обоймой, установлен лопаточный завихритель вторичного воздуха. 6. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что канал предварительной подготовки, состоящий из конфузора, камеры смешения и диффузора,зафиксирован на Г-образных пазках наружной цилиндрической обоймы пальцами,установленными на выходной части диффузора. 7. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что на входе конфузора соосно установлен патрубок с резьбой, жестко соединенный к его внутренней стороне косынками. 8. Газовая горелка по п.1, отличающаяся тем,что регулируемая газоподающая труба снабжена съемным соплом и тройником, у которого противоположное к соплу отверстие заглушено резьбовой пробкой.