RU2795637C1

RU2795637C1 - Heat generator

Info

Publication number: RU2795637C1
Application number: RU2022124855A
Authority: RU
Inventors: Георгий Александрович Висящев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Прогрессивные Технологии"
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2023-05-05

Abstract

FIELD: heat exchangers.

SUBSTANCE: heat exchangers for heating liquid or gaseous media used in oil and gas and other industries. The heat generator consists of a base, on which a body of a horizontal part and a body of a vertical part connected by internal cavities with an outlet for combustion products are installed, each of which is equipped with the following installed in series: an air supply unit, a burner unit, a heat exchange unit.

EFFECT: ensuring high efficiency in a wide range of operating thermal power, regulation of the efficiency range of the apparatus at the same fuel consumption (thermal power) and heat exchangers. In addition, sequential or separate production of different thermal products is enabled.

10 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным устройствам для подогрева жидких или газообразных сред и может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности.The invention relates to heat exchange devices for heating liquid or gaseous media and can be used in oil and gas and other industries.

Известен теплогенератор (по патенту RU 2591759, выбран в качестве прототипа), содержащий металлический корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения. Корпус вертикальной части оснащен горелочным блоком, ниже которого расположены воздухозаборники, теплообменным блоком, блоком подачи воздуха. Теплообменный блок выполнен в виде змеевика для теплоносителя и кожуха. Змеевик установлен снаружи корпуса и закрыт упомянутым кожухом. Вгорелочномблоке использовано горелочное устройство диффузионно-инжекционного типа, установленное с возможностью перемещения вдоль оси корпуса посредством регулирующего механизма.Known heat generator (according to patent RU 2591759, selected as a prototype), containing a metal casing of the vertical part with an outlet for combustion products. The body of the vertical part is equipped with a burner block, below which air intakes are located, a heat exchanger block, and an air supply block. The heat exchange unit is made in the form of a coil for the coolant and a casing. The coil is installed outside the housing and is closed by said casing. In the burner block, a diffusion-injection type burner device is used, which is installed with the possibility of moving along the body axis by means of a control mechanism.

Его недостатками являются низкая тепловая мощность и низкий КПД, поскольку нагрев теплоносителя происходит через кожух горелочного блока, корпус теплогенератора, стенки змеевика; для увеличения мощности конструкция не позволяет установить более одного горелочного блока. Теплогенератор не позволяет производить разные виды теплоносителей: пар или жидкость. Для такой конструкции приемлемые значения КПД могут быть достигнуты в узком диапазоне сочетания параметров (геометрических, тепловых). Вместе с тем, разные производственные задачи, например, при добыче нефти требуют большой вариативности в типе теплоносителя (перегретый пар, жидкость), большого диапазона регулировки тепловой мощности теплогенератора с сохранением высокого КПД во всех режимах работы.Its disadvantages are low thermal power and low efficiency, since the heat carrier is heated through the casing of the burner unit, the heat generator housing, and the coil walls; to increase power, the design does not allow the installation of more than one burner block. The heat generator does not allow the production of different types of heat carriers: steam or liquid. For such a design, acceptable efficiency values can be achieved in a narrow range of combinations of parameters (geometric, thermal). At the same time, different production tasks, for example, in oil production, require great variability in the type of coolant (superheated steam, liquid), a wide range of adjustment of the thermal power of the heat generator while maintaining high efficiency in all operating modes.

Технической задачей изобретения является создание универсального всепогодного теплогенератора, одинаково эффективного при работе в разных режимах. Техническим результатом является обеспечение высокого КПД в большом диапазоне рабочей тепловой мощности. Появляется возможность регулировать диапазон КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктовThe technical objective of the invention is to create a universal all-weather heat generator, equally effective when operating in different modes. The technical result is to ensure high efficiency in a wide range of operating thermal power. It becomes possible to adjust the efficiency range of the apparatus at the same fuel consumption (thermal power) and heat exchangers. In addition, the possibility of sequential or separate production of different thermal products is provided.

Технический результат достигается в теплогенераторе, состоящем из основания, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус горизонтальной части и корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения, каждый из которых оснащен установленными последовательно: блоком подачи воздуха, горелочным блоком, теплообменным блоком. Теплообменный блок может быть выполнен в виде парогенератора. Внутри корпуса горизонтальной части установлен парогенератор, выполненный в виде змеевика. Выход для продуктов горения выполнен в виде корпуса дымовой трубы, установленного на корпусе вертикальной части, и снабженного блоками нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа. Между корпусами горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка. Горелочный блок горизонтальной части оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок вертикальной части оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой. Теплообменный блок выполнен в виде опоясывающей емкости, соединенной с расширителем, в которой расположен змеевик. В зоне выхода пламени из горелочного блока, установлен защитный экран, выполненный в виде цилиндрической трубы, с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности. Корпус вертикальной части снабжен воздухозаборником, расположенным ниже горелочного блока.The technical result is achieved in a heat generator consisting of a base on which a body of a horizontal part connected by internal cavities and a body of a vertical part with an outlet for combustion products are installed, each of which is equipped with the following installed in series: an air supply unit, a burner unit, a heat exchange unit. The heat exchange unit can be made in the form of a steam generator. Inside the body of the horizontal part, a steam generator is installed, made in the form of a coil. The outlet for combustion products is made in the form of a chimney body mounted on the body of the vertical part and equipped with soot neutralizer and carbon dioxide neutralizer units. An adjustable damper is installed between the bodies of the horizontal part and the vertical part. The burner block of the horizontal part is equipped with a horizontal gas-oil burner, the burner block of the vertical part is equipped with a horizontal-vertical gas-oil burner. The heat exchange unit is made in the form of a girdle tank connected to the expander, in which the coil is located. In the zone of flame exit from the burner block, a protective screen is installed, made in the form of a cylindrical pipe, with a heat-insulating layer on the inner surface. The body of the vertical part is equipped with an air intake located below the burner block.

Изобретение поясняется рисунком: схема теплогенератора.The invention is illustrated by the figure: diagram of the heat generator.

Теплогенератор состоит из основания 1, выполненного, например, в виде рамной металлической конструкции, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус 2 горизонтальной части и корпус 3 вертикальной части с выходом 4 для продуктов горения (с трубой 4). Указанные части выполняются в виде металлических секций, преимущественно осесимметричных (например, цилиндрических), которые соединяются между собой фланцевыми соединениями с помощью болтов (шпилек). Корпусы 2, 3 могут оснащаться наружными и/или внутренними теплоизоляционными слоями.The heat generator consists of a base 1, made, for example, in the form of a metal frame structure, on which a body 2 of the horizontal part connected by internal cavities and a body 3 of the vertical part with an outlet 4 for combustion products (with a pipe 4) are installed. These parts are made in the form of metal sections, mainly axisymmetric (for example, cylindrical), which are interconnected by flange connections using bolts (studs). The housings 2, 3 can be equipped with external and/or internal heat-insulating layers.

Выход 4 для продуктов горения может быть выполнен в виде корпуса 4 дымовой трубы, установленного на корпусе 3 вертикальной части, и снабженного блоками 13, 14 нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа.Exit 4 for combustion products can be made in the form of a chimney body 4 mounted on the body 3 of the vertical part, and equipped with blocks 13, 14 of the soot neutralizer and carbon dioxide neutralizer.

Корпус 2 горизонтальной части и корпус 3 вертикальной части оснащены каждый установленными последовательно: блоком 5, 6 подачи воздуха, горелочным блоком 7, 8, теплообменным блоком 9, 10, соответственно. Последовательная установка указанных частей обеспечивает работоспособность теплогенератора и обеспечивает высокий КПД, как показано ниже.The body 2 of the horizontal part and the body 3 of the vertical part are each installed in series: an air supply unit 5, 6, a burner unit 7, 8, a heat exchange unit 9, 10, respectively. Sequential installation of these parts ensures the operation of the heat generator and ensures high efficiency, as shown below.

Указанные корпусы 2, 3 могут оснащаться несколькими теплообменными блоками. На рисунке показаны дополнительные теплообменные блоки 11, 12. Теплообменные блоки 9, 10, 11, 12 могут иметь разную конструкцию, например, могут быть выполнены в виде парогенераторов. Так, внутри корпуса 2 горизонтальной части может быть установлен парогенератор 12, выполненный в виде змеевика. Иначе, теплообменный блок 11 может быть выполнен в виде опоясывающей корпус емкости, в которой расположен змеевик 18, соединенный через циркуляционный насос 20 с расширителем 19.These housings 2, 3 can be equipped with several heat exchange units. The figure shows additional heat exchange units 11, 12. Heat exchange units 9, 10, 11, 12 may have different designs, for example, they may be made in the form of steam generators. So, inside the body 2 of the horizontal part, a steam generator 12, made in the form of a coil, can be installed. Otherwise, the heat exchange unit 11 can be made in the form of a container encircling the body, in which the coil 18 is located, connected through the circulation pump 20 to the expander 19.

Теплообменные блоки 9, 10, 11, имеющие опоясывающие емкости, заполненные жидкими теплоносителями, выступающих в качестве промежуточных теплоносителей 25 (вода, тосол, антифриз). Их змеевики 18, 21 заполнены нагреваемыми продуктами (нагреваемыми жидкостями, в качестве которых могут использоваться вода, нефть, водонефтяная эмульсия) и соединены с необходимой технологической обвязкой 22.Heat exchange blocks 9, 10, 11, having encircling tanks filled with liquid heat carriers, acting as intermediate heat carriers 25 (water, antifreeze, antifreeze). Their coils 18, 21 are filled with heated products (heated liquids, which can be water, oil, water-oil emulsion) and are connected to the necessary technological piping 22.

Между корпусами 2, 3 горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка 15 в виде шибера, которая может отсекать корпус 2 горизонтальной части 16 для работы одной вертикальной части 17.Between the bodies 2, 3 of the horizontal part and the vertical part, an adjustable damper 15 is installed in the form of a gate, which can cut off the body 2 of the horizontal part 16 for the operation of one vertical part 17.

Горелочный блок 7 горизонтальной части 16 оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок 8 вертикальной части 17 оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой. Горелочные блоки 7, 8 оснащаются системами розжига и контроля пламени, запальными устройствами, датчиками 24 контроля пламени, тяги, температуры дымовых газов.The burner block 7 of the horizontal part 16 is equipped with a horizontal gas-oil burner, the burner block 8 of the vertical part 17 is equipped with a horizontal-vertical gas-oil burner. Burner blocks 7, 8 are equipped with ignition and flame control systems, ignition devices, sensors 24 for flame control, draft, flue gas temperature.

Корпус 2 горизонтальной части, выполненный в виде металлических секций, расположенных горизонтально (продольная ось находится в положении , близком к горизонтальному) с установленными последовательно блоком 5 подачи воздуха, горелочным блоком 7, оснащенным горизонтальной газонефтяной горелкой, опоясывающей емкостью теплообменного блока 9, образуют горизонтальную часть 16 теплогенератора. Аналогично, корпус 3 вертикальной части, с корпусом 4 дымовой трубы, выполненные в виде металлических секций, расположенных вертикально (продольная ось находится в положении , близком к вертикальному) с установленными последовательно блоком 6 подачи воздуха, горелочным блоком 8, оснащенным горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой, опоясывающей емкостью теплообменного блока 10, образуют вертикальную часть 17 теплогенератора.The body 2 of the horizontal part, made in the form of metal sections located horizontally (the longitudinal axis is in a position close to horizontal) with an air supply unit 5 installed in series, a burner unit 7 equipped with a horizontal gas-oil burner, encircling the capacity of the heat exchange unit 9, form a horizontal part 16 heat generator. Similarly, the body 3 of the vertical part, with the body 4 of the chimney, made in the form of metal sections located vertically (the longitudinal axis is in a position close to vertical) with an air supply unit 6 installed in series, a burner unit 8 equipped with a horizontal-vertical gas-oil burner , encircling the capacity of the heat exchange unit 10, form the vertical part 17 of the heat generator.

Корпус 3 вертикальной части снабжен воздухозаборником 23, расположенным ниже горелочного блока 8. Таким образом, обеспечивается подача воздуха за счет естественной тяги, обеспечиваемой вертикальным расположением корпуса 3.The body 3 of the vertical part is provided with an air intake 23 located below the burner block 8. Thus, air is supplied due to the natural draft provided by the vertical position of the body 3.

Кроме того, блоки 5, 6 подачи воздуха могут оснащаться вентиляторами для принудительной подачи воздуха. Это позволяет увеличить расход газа, повысить качество газовоздушной смеси, обеспечивает работу с более высоким КПД, позволяет протолкнуть дымовые газы, если не хватает естественной тяги.In addition, the air supply units 5, 6 can be equipped with fans for forced air supply. This allows you to increase gas consumption, improve the quality of the gas-air mixture, ensure operation with a higher efficiency, and allows you to push flue gases if there is not enough natural draft.

В зоне выхода пламени из горелочного блока 8 может быть установлен защитный экран 26, выполненный в виде цилиндрической трубы из жаропрочной нержавеющей стали. Его длина зависит от высоты (длины) пламени, он предназначен для защиты корпуса 3 вертикальной части от перегрева, прогара и устанавливается в зоне выхода пламени от горелки, таким образом, перекрывает зону повышенной тепловой нагрузки и повышает надежность работы и продлевает срок эксплуатации. Заменить защитный экран 26 в случае прогара проще, чем заменить прогоревший корпус 3 вертикальной части. Защитный экран 26 дополнительно выполняется с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности, например в виде термостойкого лака, в виде керамического огнеупорного волокна (в виде матов, блоков, крепиться на специальные крепления, посадочные места, может применяться совместно с термостойким клеем).In the zone of flame exit from the burner block 8, a protective screen 26 can be installed, made in the form of a cylindrical pipe made of heat-resistant stainless steel. Its length depends on the height (length) of the flame, it is designed to protect the body 3 of the vertical part from overheating, burnout and is installed in the zone of the flame exit from the burner, thus blocking the zone of increased heat load and increasing reliability and extending the service life. Replacing the protective screen 26 in case of burnout is easier than replacing a burned-out body 3 of the vertical part. The protective screen 26 is additionally made with a heat-insulating layer on the inner surface, for example, in the form of a heat-resistant varnish, in the form of a ceramic refractory fiber (in the form of mats, blocks, attached to special fasteners, seats, can be used in conjunction with heat-resistant glue).

Теплогенератор может оснащаться набором различных датчиков 24, обеспечивающих контроль всех параметров и позволяющих автоматизировать управление блоками 5, 6 подачи воздуха, горелочными блоками 7, 8, теплообменными блоком 9, 10, меняя режимы их работы. В числе таких датчиков могут использоваться: датчики контроля работы оборудования; датчики температуры дымовых газов; датчики температуры корпусов; датчики загазованности; датчики тяги; датчики СО, О2, NO2, СО2 в дымовых газах; датчики температуры нагреваемого продукта на входе и выходе змеевиков теплообменных блоков; датчики давления нагреваемого продукта на входе и выходе змеевиков теплообменных блоков; датчики температуры промежуточных теплоносителей; датчики уровня промежуточного теплоносителя; датчики протока через змеевики теплообменных блоков и пр.The heat generator can be equipped with a set of various sensors 24, which provide control of all parameters and allow automating the control of air supply units 5, 6, burner units 7, 8, heat exchange units 9, 10, changing their operating modes. Among such sensors, the following can be used: sensors for monitoring the operation of equipment; flue gas temperature sensors; case temperature sensors; gas sensors; thrust sensors; sensors for CO, O2, NO2, CO2 in flue gases; temperature sensors of the heated product at the inlet and outlet of the coils of heat exchange units; pressure sensors of the heated product at the inlet and outlet of the coils of heat exchange units; temperature sensors of intermediate heat carriers; intermediate coolant level sensors; flow sensors through the coils of heat exchange units, etc.

Теплогенератор работает следующим образом.The heat generator works as follows.

Топливный газ при различных давлениях (от 0,01 до 3 кгс/см2) и расходах от источников снабжения по направлениям «линия газа 1», «линия газа 2», проходя через блоки 5, 6 подачи воздуха поступает в горелочные блоки 7, 8 соответственно, где, благодаря естественной тяге или с принудительной подачей воздуха происходит образование газовоздушной смеси, обеспечивающей эффективное и бездымное горение. Тепло через промежуточный теплоноситель 25 передается нагреваемым продуктам в змеевиках 18, 21, например, в диапазоне от +5 до +90 С°. Генерация и подача пара происходит в парогенераторе 12.Fuel gas at various pressures (from 0.01 to 3 kgf / cm2) and flow rates from supply sources in the directions "gas line 1", "gas line 2", passing through blocks 5, 6 of the air supply enters the burner blocks 7, 8 respectively, where, due to natural draft or forced air supply, a gas-air mixture is formed that ensures efficient and smokeless combustion. Heat through the intermediate coolant 25 is transferred to the heated products in the coils 18, 21, for example, in the range from +5 to +90°C. Generation and supply of steam takes place in the steam generator 12.

Нагретые продукты сгорания, проходя по горизонтальной части 16 отдают тепло расположенным последовательно по ходу теплообменным блокам 9-12, работа которых регулируется раздельно. Вертикальная часть 17 при этом обеспечивает сильную тягу, не препятствуя выходу дымовых газов. При необходимости, включается горелочный блок 8 вертикальной части 17, повышая общую тепловую производительность.The heated products of combustion, passing through the horizontal part 16, give off heat to heat exchange units 9-12 arranged in series along the course, the operation of which is regulated separately. The vertical part 17 at the same time provides strong traction without obstructing the exit of flue gases. If necessary, the burner block 8 of the vertical part 17 is turned on, increasing the overall thermal performance.

Примеры режимы работы оборудования:Examples of equipment operation modes:

1. Режим утилизации - режим низкого КПД теплогенератора (1-10%) при большом расходе газа (когда не требуется значительный нагрев среды, а объем подаваемого топливного газа, а значит и тепловая мощность оборудования намного больше, чем требуется технологически). В работе находится вертикальная часть 17 теплогенератора. Горизонтальная часть 16 - отсечена регулируемой заслонкой 15.1. Utilization mode - a mode of low efficiency of the heat generator (1-10%) with a high gas flow rate (when significant heating of the medium is not required, and the volume of fuel gas supplied, and hence the thermal power of the equipment, is much greater than required technologically). The vertical part 17 of the heat generator is in operation. The horizontal part 16 is cut off by an adjustable damper 15.

2. Режим эффективного использования топливного газа - режим работы оборудования на высоком, максимальном КПД (70% и более). В работе горизонтальная и вертикальная часть 16, 17 - задействованы все теплообменные блоки. Режим, при котором оборудование максимально нагревает среды для технологических нужд без переизбытка расхода газа. При данном режиме, за счет геометрии теплогенератора и последовательного прохождения дымовыми газами всех узлов, наиболее эффективно происходит теплосъем для нагрева сред и охлаждение дымовых газов, что невозможно при работе только вертикальной или горизонтальной частей 16, 17. Работающие блоки 6 подачи воздуха и горелочный блок 8 вертикальной части 17 подхватывают и ускоряют поток дымовых газов, выходящих из горизонтальной части 16. Появляется возможность регулировать раздельно параметры работы горизонтальной и вертикальной частей 16, 17 (расход газа, КПД, температуру нагреваемых продуктов в разных теплообменных блоках).2. The mode of efficient use of fuel gas - the mode of operation of the equipment at high, maximum efficiency (70% or more). In operation, the horizontal and vertical parts 16, 17 - all heat exchange units are involved. The mode in which the equipment heats up the media to the maximum for technological needs without an excess of gas consumption. In this mode, due to the geometry of the heat generator and the sequential passage of flue gases to all nodes, the most efficient heat removal occurs for heating media and cooling of flue gases, which is impossible when only the vertical or horizontal parts 16, 17 are operating. Operating air supply units 6 and burner unit 8 the vertical part 17 pick up and accelerate the flow of flue gases leaving the horizontal part 16. It becomes possible to separately control the operation parameters of the horizontal and vertical parts 16, 17 (gas flow, efficiency, temperature of heated products in different heat exchange units).

3. Смешанный режим - режим работы оборудования при КПД 30-50%. Режим, при котором может быть в работе как горизонтальная или вертикальная часть, как совместно, так и раздельно. Т.е. когда оборудование частично загружено от своей номинальной тепловой мощности, или часть теплообменных устройств не задействовано.3. Mixed mode - the mode of operation of the equipment with an efficiency of 30-50%. The mode in which it can be in operation as a horizontal or vertical part, both jointly and separately. Those. when the equipment is partially loaded from its rated thermal power, or some of the heat exchangers are not involved.

Таким образом использование описанной конструкции позволяет обеспечить высокий КПД теплогенератора в большом диапазоне рабочей тепловой мощности. Появляется возможность регулировать диапазон КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктовThus, the use of the described design makes it possible to ensure a high efficiency of the heat generator in a wide range of operating thermal power. It becomes possible to adjust the efficiency range of the apparatus at the same fuel consumption (thermal power) and heat exchangers. In addition, the possibility of sequential or separate production of different thermal products is provided.

Claims

1. A heat generator consisting of a base on which a body of a horizontal part and a body of a vertical part connected by internal cavities with an outlet for combustion products are installed, each of which is equipped with the following installed in series: an air supply unit, a burner unit, a heat exchange unit.

2. Heat generator according to claim 1, characterized in that the heat exchange unit is made in the form of a steam generator.

3. The heat generator according to claim 1, characterized in that a steam generator is installed inside the body of the horizontal part, made in the form of a coil.

4. The heat generator according to claim 1, characterized in that the outlet for combustion products is made in the form of a chimney body mounted on the body of the vertical part and equipped with soot neutralizer and carbon dioxide neutralizer units.

5. Heat generator according to claim 1, characterized in that an adjustable damper is installed between the bodies of the horizontal part and the vertical part.

6. The heat generator according to claim 1, characterized in that the burner block of the horizontal part is equipped with a horizontal gas-oil burner, the burner block of the vertical part is equipped with a horizontal-vertical gas-oil burner.

7. The heat generator according to claim 1, characterized in that the heat exchange unit is made in the form of an encircling tank connected to an expander, in which a coil is located.

8. The heat generator according to claim 1, characterized in that in the area of the flame exit from the burner unit, a protective screen is installed, made in the form of a cylindrical pipe, with a heat-insulating layer on the inner surface.

9. The heat generator according to claim 1, characterized in that the body of the vertical part is provided with an air intake located below the burner unit.

10. Heat generator according to claim 1, characterized in that the heat exchange unit is provided with an outer heat-insulating layer.