От чего прогорает факельный оголовок. Факельные системы

Изобретение относится к оголовкам факельных установок для сжигания аварийных, постоянных и периодических выбросов горючих газов, может быть использовано в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности и позволяет повысить надежность и срок службы оголовка за счет устранения воздействия пламени на наружную поверхность основной горелки и ветрозащитного экрана. Оголовок факельной установки содержит основную горелку для сжигания сбрасываемого газа, дежурные горелки, ветрозащитное устройство, установленное соосно и образующее с ней кольцевой зазор, выполненное в виде цилиндра, открытого сверху и заглушенного снизу днищем, установленного на основной горелке, стенки цилиндра выполнены в виде обечайки и набора равномерно расположенных лопаток, установленных между обечайкой и днищем, лопатки выполнены в виде секторов цилиндра, причем наружные части лопаток касаются радиальных плоскостей. 2 ил.

Изобретение относится к оголовкам факельных установок для сжигания аварийных, постоянных и периодических выбросов горючих газов и может быть использовано в нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известен оголовок факельной установки, содержащий основную горелку (цилиндрическую трубу), ветрозащитный экран, установленный в верхней части оголовка соосно с основной горелкой и образующий с ней кольцевой зазор, дежурные горелки (см. патент РФ 2095686, МПК F23D 14/38, опубл. 11.10.1997 г.) (аналог).

Данный оголовок работает следующим образом. Сжигаемый газ поступает в основную горелку в виде цилиндрической трубы и при выходе поджигается дежурными горелками. Ветрозащитный экран удерживает пламя в вертикальном положении. Однако этот ветрозащитный экран не защищает наружную поверхность основной горелки от воздействия пламени при боковом ветре. Это объясняется тем, что при боковом ветре с подветренной стороны оголовка образуется зона пониженного давления с отрывным рециркуляционным течением воздуха, в которую засасывается пламя вниз через кольцевой зазор. В результате теплового воздействия пламени снижается надежность и срок службы факельного оголовка.

Указанный недостаток частично устранен в факельных установках, описанных в каталоге промышленной организации «Генерация» стр.4 (см. сайт ПГ «Генерация» www.generation.ru) (прототип).

В этих установках оголовок содержит основную горелку в виде цилиндрической трубы, снаружи которой установлен соосно цилиндроконический ветрозащитный экран и дежурные горелки. Конический участок ветрозащитного экрана размещен в верхней части экрана и перекрывает кольцевой зазор между цилиндрической трубой и ветрозащитным экраном.

Принцип работы такого оголовка заключается в следующем. Сжигаемый газ поступает в основную цилиндрическую горелку оголовка и при выходе поджигается дежурными горелками. Цилиндрический ветрозащитный экран защищает наружную поверхность основной горелки от воздействия пламени при боковом ветре. Однако в этом случае тепловому воздействию подвергается наружная поверхность цилиндрического ветрозащитного экрана в результате опускания пламени с подветренной стороны в зону пониженного давления и рециркуляционного течения за экраном. Это приводит к тепловому воздействию на экран, снижает надежность и срок службы оголовка, требуется периодическая замена ветрозащитного экрана.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и увеличение срока службы оголовка путем устранения воздействия пламени при боковом ветре на наружные поверхности основной горелки и ветрозащитного экрана.

Для достижения указанной цели оголовок факельной установки содержит, как и наиболее близкий к ней прототип, основную горелку с установленным на ней соосно ветрозащитным устройством, образующим с ней (горелкой) кольцевой зазор, и дежурные горелки.

В отличие от известного оголовка ветрозащитный экран выполнен в виде цилиндра, открытого сверху и заглушенного снизу днищем, установленным на основной горелке, стенки цилиндра выполнены в виде обечайки, установленной сверху, и набора равномерно расположенных лопаток, установленных между обечайкой и днищем. Лопатки выполнены в виде секторов цилиндра, наружные части лопаток касаются радиальных плоскостей.

На фиг.1 представлен продольный разрез оголовка факельной установки, на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.

Оголовок содержит основную горелку 1 и установленный на ней соосно ветрозащитный экран, образующий с ней кольцевой зазор 2 и дежурные горелки 3. Ветрозащитное устройство выполнено в виде цилиндра, открытого сверху и заглушенного снизу днищем 4. Стенки цилиндра выполнены в виде обечайки 5, установленной сверху, и набора равномерно расположенных лопаток 6. Лопатки выполнены в виде секторов цилиндра, наружные части лопаток касаются радиальных плоскостей 7.

Предлагаемый оголовок работает следующим образом.

Сжигаемый газ поступает в основную горелку 1 оголовка и при выходе поджигается дежурными горелками 3. При боковом ветре с наветренной стороны поток ветра поступает через зазоры между лопатками 6 внутрь ветрозащитного устройства в кольцевой зазор 2, приобретая вращательное движение. На подветренную сторону через зазор между лопатками 6 может выйти только небольшая часть поступившего воздуха, т.к. для выхода вращающемуся потоку воздуха необходимо изменить направление почти на противоположное, а это связано с преодолением большого гидравлического сопротивления. Чтобы создать такое движение воздуха в кольцевом зазоре 2, лопатки 6 установлены так, что обеспечивается касание их наружных частей и радиальных поверхностей 7, а внутренние части направлены тангенциально. Глухое днище 4 исключает движение воздуха из зазора 2 вниз. Все это приводит к движению воздуха вверх, что предотвращает опускание пламени и его воздействие на конструкцию оголовка. Обечайка 5 защищает пламя основной горелки 1 и дежурных горелок 3 от воздействия порывов ветра.

Оголовок факельной установки, содержащий основную горелку для сжигания сбрасываемого газа, дежурные горелки и ветрозащитное устройство, установленное соосно и образующее с ней кольцевой зазор, выполненное в виде цилиндра, открытого сверху и заглушенного снизу днищем, установленного на основной горелке, стенки цилиндра выполнены в виде обечайки и набора равномерно расположенных лопаток, установленных между обечайкой и днищем, лопатки выполнены в виде секторов цилиндра, причем наружные части лопаток касаются радиальных плоскостей.

Факельные системы и установки от ООО «Салюс» разработаны и изготавливаются в соответствии с современными требованиями безопасности и учитывают в своей конструкции все основные принципы энергосбережения, которые обладают всеми необходимыми сертификатами.

Применение современных факельных систем:

• Применяются на объектах сбора и подготовки продукции скважин нефтяных и газовых месторождений, объектах нефтехимической, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности, позволяют избежать применения морально и технически устаревших, металлоемких, дорогостоящих и зачастую небезопасных факельных систем;
• Используются при аварийных, постоянных и периодических сбросах, выходе оборудования из строя, отключении электроэнергии, плановом ремонте, а также для сжигания паров и органических веществ;
• Позволяют осуществлять высокоэффективное сжигание любых соотношений углеводородов, кислых и инертных газов за счет соответствующей модификации факельного оголовка;
• Выпускаются открытого, закрытого и мобильного типа.

Преимущества факельных систем

1. Уникальный струйный затвор

Уникальность. Конструкция факельных оголовков, используемых в системах СФС, включает в себя уникальный струйный затвор, не имеющий аналогов в мире и отменяющий необходимость в использовании лабиринтного затвора.

Ус транение горения внутри фак ельного оголовка. Факельный оголовок устраняет горение внутри, поскольку струйный затвор расположен у верхней кромки оголовка. Даже при минимальных расходах струйный затвор предотвращает попадание воздуха внутрь факельного оголовка.

Поэтому рекомендуемый нами расход затворного газа является фактическим расходом, при котором предотвращается внутреннее горение. Другие типы затворов, такие как лабиринтные затворы, не предотвращают внутреннее горение при рекомендуемых для них расходах затворного газа.

Без струйного затвора, расположенного у верхней кромки оголовка, происходит следующее:

• горение внутри оголовка;
• повышенный расход затворного газа для предотвращения внутреннего горения;
• уменьшенный срок службы оголовка;
• повышенный уровень теплового излучения.

Устранение горения внутри факельного ствола. При использовании лабиринтного затвора происходит попадание воздуха внутрь ствола и внутреннее горение. По результатам испытаний при расчетной скорости затворного газа и использовании лабиринтного затвора уровень содержания кислорода составляет 6% на дне лабиринтного затвора. При таком уровне кислорода не обеспечивается защита лабиринтного затвора или факельного оголовка. Образование воспламеняемой газовой смеси внутри лабиринтного затвора и факельного оголовка приводит к горению внутри и очень короткому сроку службы.

Струйный затвор устраняет горение внутри факельного ствола, поскольку струйный затвор расположен у верхней кромки оголовка, и значительно увеличивает срок его службы.

Значительное понижение расхода затворного газа. Использование струйного затвора значительно понижает потребление затворного газа. Так, например, для факельного оголовка диаметром 900 мм рекомендуемый расход затворного газа составляет:

Устранение необходимости в футеровке и дренаже. Футеровка, выложенная внутри лабиринтного затвора, обычно трескается и падает вниз, забивая дренажное отверстие. В результате конденсат и дождевая вода собираются внутри лабиринтного затвора.

Во­первых, сбрасываемый газ будет проходить через жидкую пробку, захватывая жидкость, что приведет к выбросу через факельный оголовок горящих капель. Во­вторых, при минусовых температурах жидкая пробка замерзает и не пропускает сбрасываемый газ. Это представляет собой чрезвычайную опасность и может вызвать аварию на предприятии. В связи с этим, для лабиринтного затвора необходим электро­ или пароподогрев.

Струйный же затвор находится у среза оголовка и таким образом устраняет необходимость в футеровке, дренаже и использовании электро­ или пароподогрева.

Устранение необходимости в частом профилактическом ремонте и обслуживании. В результате вышеуказанных проблем для лабиринтного затвора требуется более частый профилактический ремонт, а также проверка толщины стенок и удаление конденсата и футеровки со дна затвора.

Применение струйного затвора устраняет необходимость в частом профилактическом ремонте и обслуживании факельного оголовка и ствола.

Отсутствие коррозии и экономия металла на изготовлении затвора. Лабиринтный затвор обычно производится из низкоуглеродистой стали. В результате того, что в лабиринтном затворе собирается конденсат, зачастую с коррозионными частицами, а также происходит горение внутри, стенки лабиринтного затвора подвергаются сильной коррозии и прогорают насквозь.

Струйный затвор производится из такой же нержавеющей стали, что и верхняя часть факельного оголовка. В результате устраняются проблемы с коррозией и необходимость в частых профилактических ремонтах. Кроме того, значительно уменьшается расход металла на изготовление затвора.

1. Уникальная конструкция факельного оголовка

Увеличение срока службы за счет использования конического козырька. Факельный оголовок снабжен специальным козырьком, защищающим верхнюю часть оголовка и создающим воздушную камеру. Козырек предотвращает соприкосновение пламени с оголовком при боковом ветре, когда пламя наклоняется к одной стороне оголовка. Таким образом, козырек снижает температуру воздействия на оголовок, тем самым значительно увеличивая его срок службы. Создание воздушной камеры с помощью козырька также является важным фактором.

Если одна сторона оголовка подвергается воздействию пламени в течение длительного времени, температура металла может повыситься до опасного уровня. Благодаря воздушной камере тепло отводится (рассеивается) от металла, поддерживается низкая температура поверхности и увеличивается срок службы. Еще одно преимущество использования козырька заключается в защите пламени дежурной горелки при боковом ветре, который может сорвать это пламя.

1. Уникальная конструкция дежурных горелок

Улучшение безопасности и надежности за счет использования двойной системы розжига. Горелки могут поставляться в одном из трех исполнений:

• горелки для электроискрового розжига;
• горелки для розжига бегущим огнем;
• горелки с двойным розжигом (электроискровой и бегущий огонь), обеспечивающие наибольший уровень безопасности работы установки.

Увеличение срока службы горелок и термопар. Срок службы дежурных горелок и термопар значительно увеличен благодаря использованию специальной улучшенной конструкции козырька горелки, а также благодаря тому, что дежурная горелка защищена коническим козырьком факельного оголовка. Кроме того, каждая термопара имеет свой собственный защитный кожух. Все вышеуказанное приводит к тому, что срок службы дежурных горелок и термопар значительно превышает срок службы горелок других конструкций.

Значительное понижение расхода пилотного газа. Благодаря уникальной конструкции дежурной горелки расход пилотного газа по меньшей мере в три раза меньше, чем расход газа в любых других горелках, что приводит к значительной годовой экономии.

Специальные оголовки для факельных систем

Для бездымного сжигания сбрасываемых газов используются специальные оголовки следующих типов:

1. Факельные оголовки с подачей пара

В факельных системах с подачей пара в зависимости от диаметра оголовка пар может подаваться:

• по центру,
• по кольцу,
• по кольцу и по центру,
• по двум кольцам и по центру.

Для значительного уменьшения расхода пара и улучшения полноты сгорания в факельных оголовках применяется усовершенствованная система подачи пара. При этом пар подается в зависимости от расхода сбрасываемого газа как в центральную паровую форсунку, так и в малое и большое паровые кольца.

1. Факельные оголовки с подачей воздуха

Факельные системы с подачей воздуха являются современным и высокоэкономичным способом обеспечения требуемой бездымности. При этом устраняется необходимость в дорогостоящем паровом коллекторе, его теплоизоляции и дренаже конденсата.

С учетом того, что устраняется необходимость в использовании пара, достигается очень значительная экономия, равная несколькиммиллионамрублей.

Факельная система с подачей воздуха включает в себя оголовок специальной конструкции, воздуходувку, датчик расхода и систему управления воздуходувкой.

1. Скоростные факельные оголовки

Скоростные факельные оголовки представляют собой оголовки с одиночным или множественными соплами для реактивного смешивания с воздухом.

Скоростные факельные оголовки обеспечивают бездымность в верхнем диапазоне аварийного сброса, при этом не требуется подача пара или воздуха.

Факельный ствол

При использовании открытых факельных систем возможно применение следующих типов стволов:

• мачтовые
• самонесущие
• со сдвоенныеми стволами
• на растяжках

Самонесущие

Мачтовые

На растяжках

Со сдвоенными стволами

Стандартный комплект поставки факельной системы

• факельная установка: факельный оголовок, факельный ствол, лестницы и площадки с ограждениями, дежурные горелки и система розжига и контроля пламени;
• блок подготовки и редуцирования газа;
• трубопровод пилотного газа;
• факельный сепаратор или расширительная камера;
• емкость дренажная с насосной станцией откачки жидкости;
• система автоматизации и контроля.

Комплектность поставки определяется по согласованию с заказчиком, в комплект поставки могут входить дополнительные опции.

Выбор высоты факельного ствола

Производятся расчеты теплового, шумового воздействия горения на окружающую среду и расчеты рассеивания хвостовых газов для служб охраны труда и здоровья, экологических территориальных органов.

Данные по тепловому излучению для выбора высоты ствола

Факельные установки закрытого типа

Преимущества закрытых факелов:

• нет дыма;
• не нужен пар;
• нет теплового излучения;
• нет видимого пламени;
• нет запаха;
• низкий уровень шума;
• простота в эксплуатации;
• высокая надежность;
• минимальное обслуживание.

Современные закрытые факельные системы имеют три очень важных преимущества:

• Обеспечивают бездымное сжигание наиболее тяжелых трудносжигаемых газообразных отходов, а также влагосодержащих отходов с низкой теплотворной способностью без использования дорогостоящего пара, воздуходувок или открытых горелок и насадок;
• Могут быть реконструированы в факельную систему термического окисления путем добавления регулятора тяги к свободной естественной тяге воздуха многофорсуночных многоструйных горелок;
• В одной камере сгорания (общей или конструкции «камера в камере») возможно сжигание нескольких разных потоков газообразных или жидких сбросов.

Эффективность удаления продуктов сгорания газообразных и жидких отходов для факельных систем термического окисления превышает 99,9% – это лучший показатель сокращения выбросов окислов серы (SOx), окислов азота (NOx), а также других летучихканцерогенныхвыбросов.

Закрытая факельная система может быть оснащена одной из двух типов систем утилизации тепла: это может быть предварительный нагрев (через теплообменник) потока холодных отходов с целью более эффективного их сжигания или котел для получения водяного пара.

В закрытых факельных системах достигнут высочайший уровень безопасности и надежности. Это обеспечивается сочетанием передовых методов проектирования с современным высокотехнологичным производством.

В системах автоматизации закрытых факельных систем применены самые современные технические решения и разработки: автоматические схемы взаимоблокировок, жидкостные затворы, сканеры пламени, работающие в ультрафиолетовом диапазоне, отказоустойчивые системы запуска и останова, световая сигнализация, многоступенчатые горелочные головки со встроенными огнепреградителями и устройствами предотвращения детонации, а также дежурные горелки с дистанционными генераторами искры и УФ­сканерами.

Полностью автоматизированное многоступенчатое функционирование многофорсуночных, многоструйных горелок с естественной тягой обеспечивает надежное сокращение выбросов с объектов добычи нефти и газа, нефтеперерабатывающих, химических и нефтехимических заводов, а также других предприятий обрабатывающих и перерабатывающих отраслей промышленности.

Стрелкин Алексей Викторович, начальник отдела экспертов НК ООО «НТЦ «НефтеМетСервис»

Филин Владимир Евгеньевич, зам.генерального директора ООО «Техэкспертиза»

В статье описываются требования к разным элементам факельных установок, в том числе оголовкам, даны расчеты по оптимальному размеру ствола.

В настоящее время на объектах капитального строительства и технического перевооружения факельного хозяйства, согласно заданию на проектирование, проектируем факельную установку и ее обвязку. Значительная часть технологических установок (ДНС, УПС, УПВСН) подключена к существующей системе газосбора, таким образом, факельные установки служат только для аварийного сжигания попутного газа и для сжигания небольших объемов газа со сбросов с предохранительных пружинных клапанов (ППК).

Сбрасываемый предохранительными устройствами газ должен отводиться в систему или на факел (свечу). Предлагаю установку одного факела аварийного сжигания на существующей системе газосбора от группы технологических установок, а на технологической установке устанавливаем свечу для сжигания малых, периодических сбросов газа от предохранительных клапанов и при опорожнении технологических емкостей.

Согласно принципиальной схеме, продукция скважин поступает в сепаратор нефтегазовый поз. НГС, где при избыточном давлении 0,3 МПа осуществляется сепарация газа. Давление поддерживается регулирующим клапаном «до себя», который устанавливается на газовой линии. Газ, выделившийся в НГС, подается в газосепаратор. В газосепараторе ГС происходит отделение конденсата (капельной жидкости) от газа, после чего попутный нефтяной газ направляется до врезки в существующий газопровод в систему газосбора. В аварийном режиме (компрессорная по трассе или ГПЗ не принимает газ) газ поступает на проектируемую общую факельную установку для группы дожимных насосных станций размещаемою в районе ДНС-10. Факельная установка укомплектована стволом факельным, оголовком факельным со средствами контроля и автоматизации. Условия применения: газ по системе газосбора до факельной установки при ДНС-10 должен транспортироваться под своим давлением (без компрессора) и давление в точке подключения газопровода от технологической установки к общей системе газосбора должно быть не более 0,3 Мпа.

Газ, выделившийся в дренажной емкости при сбросе с предохранительных клапанов и при опорожнении емкостного оборудования (поз. ЕПн-1) отводится на свечу для сжигания малых, периодических сбросов газа.

Розжиг на свече происходит следующим образом, при срабатывании предохранительного клапана на емкости, датчик давления установленный на отводящем трубопроводе от ППК дает сигнал в систему розжига, также возможно подать сигнал на розжиг по положению затвора обратного клапана на свече.

Состав оборудования свечи:

1. Оголовок Dу80.

2. Ствол h=5,0м, Dу 100;

3. Клапан обратный;

4. Автоматизированная система управления розжигом и контролем пламени АСУ РКП. Типовое оборудование факельной установки на группу ДНС:

1. Факельная установка;

2. Емкость подземная дренажная для сбора конденсата с двумя насосами;

3. Электрифицированные задвижки

Особенности рассматриваемой установки:

Полная автоматизация процесса «электророзжиг – контроль пламени»;

Неограниченное количество и быстродействие запусков факела;

На следующем рисунке приведена расчетная схема факельной установки с оголовком прямоточного типа. Факельная установка содержит ствол факела 1, факельный оголовок 2 и входной штуцер 3. Зачастую для расчетов принимают часто используемое отношение:

- высота факельного ствола, м;

Диаметр факельного ствола, м.

При этом коэффициент местного сопротивления при повороте потока после входного штуцера 3 принимают ξ пов =1

При сжигании предельных легких углеводородов: метана, этана, пропана хорошо зарекомендовали себя оголовки прямоточного типа.

При сжигании тяжелых углеводородов, а особенно непредельных, без применения специальных средств подавления дыма (подача водяного пара, дополнительного воздуха) образуется гораздо меньше дыма при применении специальных струйных факельных оголовков. Данный оголовки отличаются от прямоточных тем, что сбросной газ выходит в атмосферу не через цилиндрический срез факельного оголовка, а через ряд сопел, при этом обеспечивается хорошее смешение с воздухом и, как следствие, хорошее, а зачастую и бездымное сгорание.

Исходными данными для расчета диаметра факельной установки являются: состав газа, его плотность ρ и избыточное давление ∆:

- атмосферное давление, Па.

Для газа можно применять модель несжимаемой жидкости, используя простые уравнения:

– скорость газа, м/с;

– площадь поперечного сечения, м 2 .

– диаметр проходного сечения.

Число Рейнольдса:

– кинематический коэффициент вязкости, стокс.

Современные факельные установки должны соответствовать следующим требованиям:

Бездымное или малодымное сжигание газа;

Быстрый и безотказный розжиг;

Возможность управления с отдаленного места (операторной);

Возможность передачи параметров работы установки оператору и на верхний уровень АСУТП, принятие автоматикой решений в случае выхода установки за рамки нормального режима.

В соответствии с существующей теорией горения газов, чем больше молярная масса газа, тем сложнее обеспечить бездымное сгорание. Особенно много дыма бывает у ненасыщенных углеводородных газов. Для обеспечения бездымного сгорания применяют много способов. В основном они направлены на обеспечение максимального перемешивания сжигаемого газа с воздухом. При этом, согласно данным экспериментов, чем выше скорость газа, исходящая из сопла, тем с большей молярной массой можно бездымно сжечь газ.

Эффективным способом дымоподавления является подача в зону горения пара, но в большинстве случаев такая возможность отсутствует. Не нашло большого применения и применение воздуходувок, так как при этом увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты.

Конструкция большинства производимых оголовков в настоящее время представляет собой трубу из жаростойкой стали с кинетическим газовым затвором внутри, который служит для исключения проникновения пламени в ствол установки, для чего необходимо применение продувочного газа.

На конце трубы установлены дежурные горелки и ветрозащитный козырек. Устройство розжига может быть как на оголовке, так и стволе, в том числе на основании ствола или вообще за ограждением установки. К дежурным горелкам при этом подходят запальные трубопроводы. Контроль пламени осуществляют термопарами, ионизационными зондами, оптическими, акустическими или газодинамическими датчиками. Каждый производитель по-своему решает, как организовать выход газа из оголовка и обеспечить бездымное сгорание сбросного газа.

Установленные в щели лопатки обеспечивают турбулентность потока, при котором и происходит перемешивание газа с воздухом. Площадь щели рассчитывается таким образом, чтобы скорость потока газа была в диапазоне от 0,2 до 0,5 скорости звука в газе для газов с плотностью менее 0,8 плотности воздуха и от 0,2 скорости звука до 120 м/с для газов с большей плотностью.

Если давление газа на входе в ствол недостаточно для обеспечения таких скоростей, то оголовок проектируется по типу горелки бытовой газовой плиты с диффузионным горением газа.

В таких горелках пропан или пропан-бутановая смесь, то есть газ с достаточно большой молярной массой сгорает бездымно.

Для обеспечения быстрого и безотказного розжига было решено отказаться от высоковольтных систем, в которых розжиг горючей смеси производится искрой в свече зажигания, в связи с затрудненным воспламенением холодной горючей смеси в зимнее время. После проведения экспериментов забраковали и самососную систему «бегущий огонь», при которой блок розжига с инжектором, готовящим горючую смесь газа с воздухом, находится на существенном расстоянии от дежурных горелок оголовка и дежурные горелки поджигаются фронтом пламени, проходящим по запальному трубопроводу.

Основная причина – сложность обеспечения стехиометрического состава горючей смеси в инжекторе (для каждого состава топливного газа необходимо свое соотношение «газ – воздух») и высокая вероятность потухания фронта пламени в длинных запальных трубопроводах.

Наилучшим и практически безотказным способом оказался розжиг калильной свечой, установленной внутри запальной горелки на расстоянии 100 мм от выхода горючей смеси. Розжиг калильной свечой хорошо зарекомендовал себя в жидкостных горелках, но для газовых систем стал применяться сравнительно недавно.

Для контроля пламени установили термопары (такой способ применяют ведущие зарубежные фирмы). Для обеспечения их длительной работы пришлось заказывать специальную конструкцию с увеличенной длиной и повышенной термостойкостью клеммной головки. С целью повышения срока службы системы розжига, не стали объединять дежурную и запальную горелки в единую запальную горелку, работающую в пилотном режиме (серийно выпускаемые запальные горелки изготавливаются, как правило, из обычной нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т, не предназначенной для длительного воздействия пламени). То есть в пламени находятся только дежурные горелки из специальной жаростойкой стали, а запальные горелки после розжига дежурных гаснут, сохраняя свой ресурс.

Система розжига и контроля включает в себя:

Блок подготовки и подачи на дежурные и запальные горелки топливного газа, помещенный в теплоизолированный обогреваемый шкаф;

Инжектор, готовящий горючую смесь для дежурных горелок;

Блоки запальной и дежурной горелок с термопарой контроля пламени;

Систему АСУ на базе промышленного контроллера.

Система АСУ состоит из трех блоков: шкафа АСУ, панели местного розжига и пульта оператора. Шкаф АСУ с панелью местного розжига взрывозащищенных исполнений устанавливаются за ограждением установки, пульт оператора в операторной. Связь шкафа АСУ с пультом оператора и с верхним уровнем АСУТП осуществляется по интерфейсу RS-485.

Управление возможно в ручном и автоматическом режиме. Особенностью АСУ является то, что она не только осуществляет розжиг и контроль работы факельной установки, но и может принимать сигналы с датчиков всего факельного хозяйства: температуру и уровень конденсата в факельном сепараторе и дренажной емкости, расход и количество продувочного и сбросного газа с архивированием данных в режиме кольцевого буфера. Стоимость АСУ при этом возросла незначительно,

однако такие дополнительные функции позволят проектировщикам и заказчикам существенно уменьшить затраты на обустройство и время на проектирование.

При нарушении режима, например, потухании пламени, АСУ самостоятельно осуществит его розжиг. При уменьшения расхода продувочного газа ниже нормативного – подаст сигнал в АСУТП о необходимости подачи в факельный коллектор инертного газа. При переполнении дренажной емкости – подаст сигнал о необходимости включении насоса откачки.

Пульт оператора оснащен сенсорной панелью с удобной и понятной мнемосхемой, на которой изображаются данные с датчиков и наименование текущей операции процесса розжига с обратным отсчетом времени до ее окончания.

Объемный расход и скорость истечения, сжигаемого на факельной установке попутного нефтяного газа измеряется экспериментально, либо, при отсутствии прямых измерений, Wv рассчитывается по формуле:

Wv = 0,785 ∙ U · d02

U - скорость истечения ПНГ из выходного сопла факельной установки, м/с (по результатам измерений); d0 - диаметр выходного сопла, м (по проектным данным факельной установки).

При отсутствии прямых измерений скорость истечения принимается:

при периодических и аварийных сбросах:

Uзв - скорость распространения звука в ПНГ.

Массовый расход сбрасываемого на факельной установке газа рассчитывается по формуле:

Wg = 2826U · d02 ∙ pг

рг - плотность ПНГ, кг/м3.

Объемный расход продуктов сгорания, покидающих факельную установку:

W ПР = W v *W пс *(___________)

WV - объемный расход (м/с) сжигаемого на факельной установке;

WПС - объем продуктов сгорания;

Тг - температура горения.

Использованная литература:

1. ФЗ № 116.

2. ПБ 03-591-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации факельных систем.

3. РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОСТИ ФАКЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.

(Постановление Госгортехнадзора РФ от 05.06.2003 N 56. Об утверждении Правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности (Зарегистрировано в Минюсте РФ 20.06.2003 N 4812))

3.6.124. Установка и снятие заглушек должны регистрироваться в специальном журнале за подписью лиц, проводивших их установку и снятие, и проверяться лицами, ответственными за подготовку и проведение ремонта.

3.7. Требования к устройству и эксплуатации
факельных систем

3.7.1. Общие положения

3.7.2. Устройство факельных установок

3.7.3. Требования к территории и сооружениям

3.7.4. Требования к оборудованию, коммуникациям,
средствам автоматизации

Проектируем и изготавливаем факельные установки с обеспечением бездымности сжигания газа, в вертикальном, горизонтальном и мобильном исполнении. Изготавливаем свечи рассеивания, производим строительно-монтажные, шеф-монтажные и пусконаладочные работы факельного оборудования.

Концепция и достигнутый результат в изготовлении бездымных факельных установок.

1. Бездымность работы факельного оголовка в диапазоне расходов от 0 до 3 700 000 м 3 /сут. и плотности сжигаемого газа до 1,4 кг/м 3 (с содержанием тяжелых фракций) только с помощью конструкции оголовка, без применения дополнительного оборудования. Срок службы 20 лет.

Обеспечение бездымности факельного оголовка с помощью дополнительного оборудования при больших сбросах, до 10 000 000 м 3 /сут. и большой плотности сжигаемого газа, в том числе, с содержанием нефтяного тумана и капельных ШФЛУ. Срок службы 20 лет

2. Универсальность дежурной горелки, возможность ее работы на любом составе и параметрах сбросного газа, используя его как топливный, в том числе, при большом содержании инертных (Азота). Срок службы до 20 лет.

3. Полная автоматизация процессов запуска и работы факельной установки без вмешательства оператора. Гарантированность розжига и контроля пламени. Простота в обслуживании.

4. Использование современных технологий и передовых разработок для обеспечения надежности и увеличения срока службы факельной установки.

5. Индивидуальные технические решения при изготовлении факельной установки, применимые к параметрам и условиям для каждого объекта Заказчика.

Компания обепечивает полное соответствие требованиям и нормативам в производстве факельных установок для объектов нефтегазовой отрасли:

• ГОСТ 12.1.007-76 «ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».
• ВНТП 3-85 «Нормы Технологического проектирования объектов сбора, транспорта, подготовки нефти, газа и воды нефтяных месторождений».
• «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности». Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору №101 от 12 марта 2013г.
• «Руководство по безопасности факельных систем». Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору №779 от 26.12.2012г.
• ГОСТ Р 53681-2009, п.10.1., п.4.4.3.

Вертикальные факельные установки.

Состав, описание оборудования, варианты исполнения.

В стандартном исполнении, вертикальная факельная установка состоит из основных частей:

1. Оголовок факельный.

2. Ствол факельный.

3. Автоматизированная система управления розжигом и контролем пламени факельной установки.

Факельный оголовок бездымного горения

Производимые нашей компанией факельные оголовки обеспечивают бездымность и экологичность сжигания газа благодаря конструкции эжекционного типа. Обеспечиваются газодинамические режимы соотношения сжигаемого газа и эжекции атмосферного воздуха, для создания условий полного сгорания сбросного газа.

При сбросных газах с малой и средней плотностью, до 1,2 - 1,4 кг/м 3 , в зависимости от компонентов в составе газа и других его параметрах, бездымность сжигания обеспечивается без применения дополнительных технических средств, только за счет конструкции факельного оголовка. Смотрите фото ниже:

При большом содержании «тяжелых» компонентов в составе сбросного газа, бездымность сжигания обеспечивается за счет подачи дополнительного наддува воздуха в область горения, с одновременным использованием специальной конструкции факельного оголовка. Данная технология обеспечивает максимальное сгорание «тяжелого» газа и тем самым, бездымность факельного оголовка.

Долговечность работы факельного оголовка обеспечена за счёт самостоятельного эффективного охлаждения его конструкции атмосферным воздухом и рядом других технических решений, использующих законы аэро- и термодинамики. Срок службы 20 лет.

Совмещеные факельные оголовки

В зависимости от технических условий Заказчика, наша компания изготавливает факельные оголовки, обеспечивающие одновременное сжигание газа от двух источников сброса. К примеру, одновременное сжигание технологического сброса газа низкого (ФНД) и высокого (ФНД) давления.

Модификация факельных оголовков и расчет конструкции при изготовлении.

Перед изготовлением факельного оголовка, в зависимости от параметров сжигаемого газа, ООО "ТПП НЕФТЕАВТОМАТИКА" производит расчет конструкции оголовка для обеспечения бездымного сжигания сбросного газа, а так же, расчеты проходных сечений и прочностной расчет конструкции.

Учитывая вышеописанную практику расчетов, изготавливаемые компанией оголовки делятся на несколько стандартных модификаций:

Струйные факельные оголовки, с расходом сжигаемого газа до 200 000 м 3 /сут. (низкого давления);

Струйные факельные оголовки, с расходом сжигаемого газа до 900 000 м 3 /сут. (высокого давления);

Совмещённые струйные факельные оголовки (совмещенные низкого и высокого давления);

Прямоточные вихревые, с расходом сжигаемого газа до 3 500 000 м 3 /сут.;

С дополнительной подачей воздуха высокого давления до 8 кПА, с расходом сжигаемого газа до 10 000 000 м 3 /сут.

Все модификации оголовков факельных соответствуют по бездымности требованиям Правил Безопасности от 26.12.2012г. N779 и ГОСТ Р 53681-2009.

Факельный ствол

В зависимости от технического задания и особенностей объекта Заказчика, ствол факельный изготавлявается в нескольких вариантах:

1. Одиночный факельный ствол, с лестницами, переходами и площадками обслуживания. Диаметр ствола от Ду100 до Ду1200мм, высота ствола от 10 до 100м. Самое распространенное изготовление конструкции факельного ствола для большинства факельных установок.

2. Сдвоенный факельный ствол, с лестницами, переходами и эллипсными площадками обслуживания сразу для двух стволов. Диаметры совмещенных стволов от Ду100 до Ду1200мм, высота стволов от 10 до 100м. На практике конструкция используется для изготовления совмещенной факельной установки.

3. Ствол внутри ствола, с лестницами, переходами и площадками обслуживания. Диаметр внешнего ствола от Ду100 до Ду1200мм, высота ствола от 10 до 80м. Конструкция используется для изготовления совмещенной факельной установки. Главная цель - уменьшение парусности (ветровой нагрузки) на всю конструкцию ствола. Применяется очень редко, ввиду сложности и затратности изготовления, при совместно размещаемом на стволе воздуховоде, для дополнительной подачи воздуха высокого давления на оголовок факельный (дополнительная ветровая нагрузка на ствол).

4. Ствол с опорой башенного типа в виде ферменной конструкции. Применяется в случае ограниченности площадки факельной установки для монтажа ветровых растяжек ствола. Применяется редко, ввиду затратности изготовления фермы башенного типа, высокой стоимости транпортировки элементов конструкции и сложности монтажа на объекте Заказчика.

Для определения конструкции ствола, высоты, диаметра, толщины стенок несущих элементов, количества ветровых растяжек и их исполнение, а так же, других данных, в зависимости от параметров сжигаемого газа, климатических и эксплуатационных особенностей на объекте, ООО "ТПП НЕФТЕАВТОМАТИКА" производит прочностной и ветровой расчет конструкции, расчет высоты факельной установки с учетом теплового излучения сжигаемого газа.

Автоматизированная система управления розжигом и контролем пламени.

На примере вертикальной факельной установки мы представим подробное описание автоматизированной системы управления (АСУ), которая применяется во всех видах факельных установок производимых нашей компанией.

Система управления состоит из нескольких блочных элементов:

1. Дежурная горелка.

2. Токовод.

3. Блок высоковольтный электрического зажигания.

4. Пульт управления единый. В раздельном исполнении - пульты управления местный и дистанционный.

5. Блок управления топливным газом.

Универсальность дежурной горелки заключается в возможности ее применения при отсутствии топливного газа на факельной установке. Разработанная и успешно применяемая на практике, дежурная горелка надежно работает на сжигаемом попутном нефтяном газе, без специальной подготовки, без сепарации и без осушения.

Гарантирована надёжность розжига и работоспособность дежурной горелки при содержании жидких дисперсных составляющих, в кислото-агрессивных средах и при большом содержании инертных в составе сбросного газа, используемого как топливный.

Стабильная работа дежурной горелки обеспечена при диапазоне давления газа от 0,02 МПа до 0,3 МПа. В процессе эксплуатации регулировки по расходам топливного газа не требуются. Средний расход составляет 3-4 м 3 /час при 0,1-0,3 МПа.

За счет применения аэродинамических трубчатых элементов конструкции происходит постоянное, эффективное охлаждение зон высоких температур.

Обеспечен прямой автоматический электророзжиг и контроль пламени при скорости ветра до 35-40 метров в секунду.

Обеспечена стабилизация горения газа с содержанием азота до 85%!

Токовод.

Предназначен для передачи высокого напряжения от блока высоковольтного на электрод дежурной горелки. Выполнен в виде трубчатой конструкции для защиты внутри нее высоковольтной жилы от высоких температур при работе факельного оголовка и атмосферных осадков.

Блок высоковольтный электрического зажигания.

Служит источником высокого напряжения для обеспечения качественного электророзжига на дежурной горелке. Имеет компактные габариты, размещается на факельном стволе, в зоне пониженных тепловых излучений.

Пульт управления единый.

В раздельном исполнении - пульты управления местный и дистанционный.

Пульты управления выполняют весь комплекс функций по автоматическому запуску и поддержанию непрерывной работы факельной установки без участия оператора. Полный функционал управления и получения информации возможен с любого пульта, местного или дистанционного. Вмешательство оператора необходимо только при проведении пусконаладочных или регламентных работ.

Пульт местного управления и контроля обычно размещается на факельной площадке, за обваловкой и монтируется вертикально на стойки или конструкции. Дистанционный пульт размещается в операторной или АСУТП. При поставке единого исполнения пульта управления, он может размещаться в любом месте, за обваловкой на факельной площадке или в операторной (АСУТП).

В зависимости от варианта исполнения, в любом случае, пульт управления единый или дистанционный дополнительно обеспечивают передачу необходимой информации по протоколу Modbus с интерфейсом RS485 или через «сухие» контакты реле в АСУТП, на любое расстояние.

Система автоматизации факельной установки обеспечивает быстродействие и надёжность розжига дежурных горелок за одну-две секунды. Управление системой возможно в ручном и автоматическом режиме, как с факельной площадки, так и с операторной.

В автоматическом режиме, с момента запуска факельной установки происходит:

Автоматический розжиг без участия оператора;

Автоматический контроль пламени дежурных горелок;

Автоматический розжиг в случае погасания пламени дежурной горелки.

Конструкция электрического розжига.

В конструкции системы управления розжигом и контролем пламени факельной установки используются научные разработки авиационной промышленности и их практическое многолетнее применение.

Обобщенно, наша дежурная горелка состоит из корпуса, в виде трубчатой конструкции (заземленной вместе с факельной установкой), внутрь которой подается топливный газ. В центре этой «трубы» размещен электрод, на который подается высокое напряжение до 20 тыс. вольт с высоковольтного блока.

При включении зажигания в ручном или автоматическом режиме создается мощная электрическая дуга между электродом и корпусом дежурной горелки. Потребляемая мощность при этом сравнима с домашней электрической лампой, примерно 100Вт. Происходит гарантированный розжиг газа на дежурной горелке и факельном оголовке. В применяемой нами системе розжига, выделяемая на зажигание электрическая энергия увеличивается до 500%, при сохранении массо габаритных показателей, что позволяет зажигать любые смеси ПНГ, в том числе и при высоком содержании инертных газов.

Конструкция контроля наличия пламени.

Контроль наличия пламени на дежурной горелке основан на физическом принципе «детекторного эффекта пламени». Контроль пламени происходит по факту наличия непосредственно самого тела пламени (плазмы пламени).

Как это происходит:

При включении контроля пламени в ручном или автоматическом режиме с помощью нашей автоматики (пульт управления), в пространстве между центральным электродом и корпусом дежурной горелки происходит ионизация пламени (пламя на дежурной горелке горит). В плазме пламени начинают преобладать положительные ионы (положительные носители заряда), со значительно меньшим количеством отрицательных зарядов, в виде электронов. Ион, в котором общее число протонов больше общего числа электронов, имеет положительный заряд. В итоге, при подаче переменного напряжения на центральный электрод дежурной горелки по отношению к массе (корпусу) дежурной горелки, суммарный потенциал межу центральным электродом и корпусом дежурной горелки приобретает преимущественно положительный заряд.

В итоге, при наличии пламени на дежурной горелке, между центральным электродом и корпусом дежурной горелки появляется положительный ток ионизации, с устойчивым потенциалом, достаточным для восприятия сигнала нашей автоматикой и выводом на панель пульта управления "сигнала о наличии пламени".

Данный сигнал, так же, используется автоматикой в автоматическом режиме работы факельной устанвоки (автоматическом розжиге в случае отсутствия пламени).

В данной системе контроля пламени полностью отсутствуют элементы специальных конструкций и датчиков (например, защитные карманы для термопар и сами термопары, фотоприемники и фотодатчики), в том числе в зоне повышенных температур. «Ломаться и гореть» здесь просто не чему.

Система контроля пламени надежна и применяется десятки лет на авиационных и ракетных двигателях отечественного производства. Время выдачи сигнала о наличиии или отсутствии пламени – доли секунды.

В целом о дежурной горелке.

В конструкции дежурной горелки используется один центральный электрод, в котором одновременно совмещены функции «зажигания и контроля пламени».

В результате, комплект дежурной горелки, устанавливаемый на факельный олголовок, отличается простотой, надёжностью и сниженной массой.

Для электрода пламени применены жаропрочные стали.

Типоразмерный ряд факельных установок ООО «ТПП Нефтеавтоматика»

Примечание: данные представлены при стандартных, усредненных соотношениях, без учета технических и эксплуатационных данных сбросного газа.

Индивидуальные технические решения

На любом объекте существует ряд технических и технологических особенностей, при которых необходимо обеспечить бесперебойность работы факельной установки. При этом, нестандартными могут быть:

Химический состав сжигаемого (сбросного) газа;

Использование сбросного газа в качестве топливного газа для дежурной горелки;

Периодичность сброса, в том числе, от нескольких источников с разным расходом и давлением;

Ограниченные технические возможности объекта для обеспечения бездымности при сжигании «тяжелых» сбросных газов;

Сложные климатические и геодезические условия.

Мы всегда используем индивидуальный подход к техническим решениям при производстве факельной установки для каждого объекта.