DE2527710A1

DE2527710A1 - Coanda-fackeleinheit

Info

Publication number: DE2527710A1
Application number: DE19752527710
Authority: DE
Inventors: Ronald Louis Bourn; Denis Henry Desty
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1974-06-25
Filing date: 1975-06-21
Publication date: 1976-01-15
Also published as: CA1018882A; US4073613A; FR2276535A1; JPS5118338A; BE830644A; GB1495013A; SE413803B; JPS5735371B2; IT1039376B; SE7507212L; NL7507513A; NO752210L

Description

VON KREISLER SCHÖ'NWALD MPYER ElSHOLD FUES VON KREiSLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler + 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-lng. G. Selting, Köln

Ke/Ax

5 Köln ι 20. Juni 1975

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

The British Petroleum Company Limited, Britannic House, Moor Lane, London, EC2Y 9BU (England). Coanda-Faokeleinheit

Die Erfindung betrifft eine Fackel zur Beseitigung von brennbaren Gasen beispielsweise von Bohrinseln oder Bohrplattformen, insbesondere die Beseitigung oder das Abfackelnvon Erdölgas in Notsituationen.

Das Abfackeln von Gasen von Produktionsanlagen, die auf Bohrplattformen oder Bohrinseln montiert sind, ist mit besonderen Problemen verbunden. Angesichts des auf der Plattform verfügbaren begrenzten Raums muß die aus der Fackel austretende Flamme entweder eine geringe Strahlungswärme haben oder so abgeschirmt sein, daß das Personal gegen Strahlung, Flammenüberschlag und Berührung mit Rauchgas von hoher Temperatur geschützt ist. Eine weitere Voraussetzung besteht darin, daß das mit dem Abfackeln verbundene Geräusch nicht übermäßig stark ist.

Übliche Abgasfackeln sind auf dem eng begrenzten Raum von Bohrplattformen im Meer nicht gut geeignet. Die gebildeten langen Flammen sind schwierig abzuschirmen, so daß eine Gefährdung durch Strahlung und Flammenüberschlag die

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Telefon: (0221) 234541 - 4 · Telex: 8882307 dopa d · Telegramm: Dompatent Köln

Folge ist. '

Es ist ferner erwünscht, dass die Fackel bei ziemlich grossen Schwankungen des Gasdurchsatzes einwandfrei arbeitet und eine stabile Flamme aufrechterhält, d.h. die Fackel sollte ein grosses "turndown"-Verhältnis haben. ("turndown^ff-Verhältnis ist das Verhältnis der erreichbaren maximalen Wärmezufuhr zum Brenner ohne Verschlechterung der Verbrennung geteilt durch die minimale Wärmezufuhr zum Brenner.) Eine Möglichkeit, ein hohes "turndown"-Verhältnis zu erreichen, ist die Verwendung einer Fackel vom ; Coanda-Typ (z.B. in der GB-PS 1 383 294 der Anmelderin ; beschrieben), die einen selbstregulierenden oder veränderliehen Schlitzaustritt hat. Unter dem Ausdruck "selbst- !

regulierend" ist ein Schlitz oder ein Zuführungsleitungs- ; verschluss zu verstehen, der sich selbst automatisch auf 1 die Strömungsgeschwindigkeit eines Hochdruckgases so ein- \ stellt, dass der Druck des Gases beim Austritt aus dem Schlitz imgefHhr konstant bleibt.

Gegenstand der Erfindung ist ein neuer Weg zur Lösung des Problems eines selbstregulierenden Schlitzes.

Coanda-Paokeln können entweder Imaenfackeln (wie beispielsweise in der GB-PS 1 2?8 577 beschrieben) oder Aussenfackeln (wie beispielsweise in der GB-PS 1 j5OJ5 beschrieben) sein. Der Coanda-Effekt kann auch bei der Konstruktion von Luftsotoren (air movevs) ausgenutzt werden. In diesem Pail kann ein Gehäuse um den Coanda-XSrper angeordnet werden, Bei allen diesen Vorrlchtungsfcypen bietet ein selbstregulierender veränderlicher sehr grosse Yortelle und eine grössere Flexibilität im Betrieb.

Gegenstand der Erfindung ist eine Coanda-Fackeleinheit mit einer Zuführungsleitung für ein unter Druck stehendes Gas und einem Coanda-Körper, der über dem Austritt der Zuführungsleitung so angeordnet ist, dass ein Schlitz für den Ausstoss des Gases längs der Oberfläche des Coanda-Körpers gebildet wird, wobei ein Rand des 'Schlitzes an die Coanda-Oberfläche stösst und der gegenüberliegende Rand des Schlitzes aus einer elastischen Klappe gebildet wird, die innerhalb festgelegter Grenzen als Reaktion auf den Druck des zugeführten Gases biegsam ist und <' hierbei die effektive Schlitzbreite verändert. I

Wie dies in der normalen Praxis üblich ist, sind vorzugsweise Bauteile vorgesehen, die die Gasgeschwindigkeit verringern, nachdem das Gas über die Coanda-Oberfläche ' geströmt ist. Als Mittel zur Verminderung der Gasge- j schwindigkeit dient vorzugsweise ein Rohr oder ein Be- j reich mit grosser werdender Querschnittsfläche.Besonders ; bevorzugt wird ein Diffusorkegel oder -trichter, der über : die obere Platte der Brennst off kammer aus jedem Rohr herausragt. Die jeweiligen Kegelabmessungen hängen von den ab- ι gefackelten Gasen ab. Vorzugsweise hat der Diffusorkegel (ein Kegelstumpf) einen eingeschlossenen Winkel von 3 bis 10°, insbesondere von 4 bis 6°, und der Durchmesser der Mündung des Diffusorkegeis entspricht vorzugsweise dem 1,5- bis 2-fachen Durchmesser der Einschnürung des Diffusors.

Um die Flamme weiter zu stabilisieren, ist vorzugsweise ein Aufsatz (bluff body) oder eine Leitfläche über der Fackeleinheit angeordnet.

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In Abhängigkeit von der Menge des abzufackelnden Gases kann eine Anzahl von Coanda-Fackeleinheiten zu einer Gruppe zusammengefügt v/erden. Vorzugsweise ist jede Coanda-Fackeleinheit der Gruppe von der nächsten Einheit 2 bis 5 Kegelaustrittsdurchmesser entfernt. Diese Anordnung trägt mit dazu bei, optimales Mitreissen von Sekundärluft 2U erzielen.

Während des Gebrauchs des Elements in einer Fackel wird es vorzugsweise mit Zündbrennern versehen. Vorzugsweise wird die Fackel mit Strahlungs- und/oder Windschirmen versehen, insbesondere beim Einsatz auf Bohrinseln oder -plattformen.

Die elastische Klappe ist vorzugsweise gegen die Coanda-Oberflache vorgespannt, d.h. die Zuführungsleitung ist beim Druck Null geschlossen. Die Klappe wird an einer Seite des Schlitzes festgehalten, ist jedoch an der Oberflächenseite des Coanda-Kö'rpers frei, so dass die effektive Breite des Schlitzes sich in Abhängigkeit vom Gasdruck ändert.

Die elastische Klappe hat vorzugsweise die Form einer Ringscheibe, wobei eine Ringscheibe von gleichbleibender Dicke besonders bevorzugt wird. Bei einer inneren Coanda-Oberfläche wird der Aussenrand der Ringscheibe festgelegt, während der Innenrand in Abhängigkeit vom Gasdruck frei beweglich ist. Bei einer äusseren Coanda-Oberflache ist das Umgekehrte der Fall.

Bei gewissen Anwendungen wird eine elastische Klappe in Form von zwei oder mehr kombinierten Ringscheiben bevorzugt, besonders wenn bei Verwendung einer einzelnen Ringscheibe eine unerwünschte Schwingung entsteht.

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Verschiedene Brenngase erfordern verschiedene Spaltweiten. Beispielsweise benötigt Methan zur vollständigen Verbrennung weniger Luft als Propan. Die elastische Klappe kann somit in Abhängigkeit von dem abgefackelten Gas auf verschiedene Öffnungsdrücke vorgespannt werden.

Die Klappe wird aus einem elastischen dcformierbaren Material mit hohem Steifigkeitsmodul hergestellt, um sieherzustellen, dass während der vielen Betriebszyklen keine wesentlichen Änderungen der Deforinierungscharakteristiken auftreten. Als Beispiele geeigneter Werkstoffe sind martensitischer Stahl, ferritischer nicht-rostender Stahl, Ferrallium (ein wärmebehandelter nicht-rostender Stahl), Berryllium-Kupfer, Aluminiumlegierimgen und Kohlefasern enthaltende Verbundwerkstoffe zu nennen. Für den Betrieb auf Bohrinseln sollte der Konstruktioriswerkstoff beständig gegen Seewasser sein.

Die Bewegung der Klappe wird zweckmässig durch einen Anschlag begrenzt. Die Spaltweite zwischen der elastischen Klappe und der Coanda-Oberfläche variiert im allgemeinen zwischen 0 und 1,27 mm. Die veränderliche Spaltweite ermöglicht die Durchführung von Spülungen und Reinigungen, ein Vorteil gegenüber den Fackeln mit unveränderlichem Spalt, bei denen zuweilen Verstopfungsprobleme durch Kracken von ausgetragenem flüssigen Brennstoff, der den Spalt verschliesst, auftreten.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die elastische Klappe aus einer elastischen kegelförmigen Ringscheibe von konstanter Dicke (z.B. einer Belleville-Feder), die schwenkbar an der Mündung der GaszufUhrungsleitung befestigt ist. An der Anlenk-

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stelle ist ein Gasdichtungselement vorgesehen, so dass unerwünschtes Entweichen von Brenngas verhindert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer; Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben.

Fig.l ist eine perspektivische Ansicht einer kleinen Feldfackel, die 19 Einheiten gemäss der Erfindung enthält.

Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt durch eine einzelne Fackeleinheit, die mit einer deformierbaren Ringscheibe versehen ist, und veranschaulicht die Konstruktion und die Gas- und Luftströmungswege.

Fig.3 ist eine graphische Darstellung der Brenngasdurchflussmenge und des Leitungsdrucks für innere Coand.a-Fackeln und ermöglicht einen Vergleich von Ausführungsformen mit gleichbleibendem unveränderlichem Schlitz.

Fig.4 ist ein senkrechter Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Fackeleinheit, die mit einer deformierbaren kegelförmigen Ringscheibe für die Veränderung der Schlitzweite versehen ist.

Fig. 5 zeigt verschiedene Formen von Ringscheiben, die für die Coanda-Faekel geeignet sind.

Fig. 1 zeigt eine Fackel mit 19 Coanda-Einheiten mit innerem Gasdurchgang, die an einer Verteilerleitung,

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die am oberen Ende eines Fackelgerüstes auf einer in tiefem V/asser verankerten Bohrplattform montiert sein kann, befestigt sind.

Das Hochdruck-Brenngas wird der Fackel mit Hilfe einer Gaszuführungsleitung 1 aus (nicht dargestellten)Gas-Öl-Abscheidern zugeführt und wird durch die Verteilerleitung 2 auf die einzelnen Coanda-Einheiten 3 aufgeteilt. Die Fackel ist im allgemeinen auf einem Turm in einer Höhe von etwa JO, 5 m über der Plattform installiert. Übliche Zündvorrichtungen werden zum Zünden der Fackel verwendet.

Die Fackel kann auch in Baukastenweise konstruiert sein, d.h. aus Modulen bestehen. Beispielsweise kann eine 24 Coanda-Einheiten enthaltende Fackel aus 6 Modulen mit je 4 Einheiten bestehen, wobei jeder Modul an eine Brenngasverteilerleitung angeschlossen ist.

Fig. 2 zeigt, dass jede Coanda-Fackeleinheit an einem Zuführungsrohr 1 befestigt ist, das an die Verteilerleitung 2, die.das Hochdruckbrenngas zuführt, angeschlossen ist. Die Gaszuführungsleitung 1 führt zu einer ringförmigen Gasübertragungskammer 4, die mit der inneren Coanda-Oberfläche 5 an der Einschnürung eines Diffusorkegels 6 verbunden ist, wenn ein deformierbares Element 7 durch den Druck des Brenngases geöffnet wird.

Das deformierbare Element 7 hat die Form einer Ringscheibe, die an ihrem Außenrand am Hauptkörper der Fackeleinheit festgeklemmt ist. Ein Distanzstück 8 dient zur Einstellung der Lage der Ringscheibe in Abhängigkeit von der Art des Brenngases und den angewandten Drücken.

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Eine Begrenzungsplatte 9 begrenzt die Bewegung des Ringes J,um eine Deformierung des Ringes 7 zu vermeiden.

Während des Betriebs der Fackel gelangt das Hochdruckbrenngas aus der Zuführungsleitung 1 in die Übergangskammer 4. Bei einem vorbestimmten Druck bewirkt der Brenngasdruck in der Übergangskammer 4 das öffnen des deformierbaren Elements T, so dass Gas über die innere Coanda-Oberfläche 5 zur Einschnürung des Coanda-Kö'rpers und von dort nach oben durch den Diffusorkegel 6 strömen kann und an der Verbrennungszone über der Mündung 10 ausströmt. Durch den Coanda-Effekt wird Umgebungsluft als Primärluft mitgerissen, so dass ein brennbares Gemisch von Brenngas und Luft längs des Kegels 6 zur Verbrennungszone strömt. Bei der in Fig. dargestellten Anordnung wird Sekundärluft zwischen den Fackeleinheiten ebenfalls in die Verbrennungszone mitgerissen.

Die Ergebnisse für Coanda-Fackeleinheiten mit veränderlichem und nicht veränderlichem Schlitz und ■ innerem Gasdurchgang sind in Fig. J5 dargestellt. Die verwendete Fackeleinheit hatte die folgenden Abmessungen:

Durchmesser der Mündung des Coanda-Kegels 350 mm Durchmesser der Einschnürung des Coanda-

körpers 217 mm

eingeschlossener Winkel des Coanda-Kegels J>,5°

Aussendurchmesser des Ringes am Festklemmpunkt 402 mm

Innendurchmesser des Ringes 274 mm

Dicke des Ringes · 2,52 mm

Werkstoff des Ringes Ferrallium

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Effektive deformierbare Länge 402-274 _- 64 mm des Ringes 2

Maximale Durchbiegung des Ringes

(Spaltweite) 1,27 mm

(M.M.S.C.F.D.-Million Standardkubikfuss pro Tag).

Im allgemeinen ist der Ring gegen die Coanda-Oberfläche so vorgespannt, dass der Schlitz sich erst öffnet, wenn ein Gasdruck von 0,7 kg/cm oder mehr erreicht ist.

Formeln zur Bestimmung der Charakteristiken von flachen runden Platten mit zentralen Löchern unter verschiedenen Randbedingungen und symmetrischen Belastungen werden von Trumpler et al (J.Applied Mechanics September 1943, A-173)-genannt. Diese vereinfachten Formeln ermöglichen die Durchführung vorläufiger Berechnungen für Ringe mit ringförmigem Schlitz für die verschiedensten Werkstoffe in bezug auf Beharrungsvermögen, Abbiegung und Abbiegungswinkel von Platten mit Druck- und Randbelastung.

Fig. 4.zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine deformierbare kegelförmige Ringscheibe oder Belleville-Feder 11 verwendet und ein veränderlicher Schlitz an einer Fackel mit Coanda-Körpern 17, d;le aussen vom Brenngas umströmt werden, erhalten wird.

Die Mündung der Zuführungsleitung 13 für das Hochdruckgas ist mit einem um den Umfang verlaufenden Normalflansch 14 versehen. Der Flansch 14 ist mit einer vertieften Nut 15 versehen, in die ein deformierbarer Schlitzring oder Belleville-Dichtungsring 11 eingesetzt ist. Ein Gasdichtungselement 12 bildet einen Teil des Schlitzringes und verhindert, dass das unter hohem Druck stehende Brenngas an. anderen Stellen als durch den j Schlitz 16 entweicht. Wenn kein Brenngas in der Leitung

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nach oben strömt, presst sich der Schutzring 11 gegen die Unterseite des Coanda-Körpers 17.

Während des Betriebs der Fackel wird der deformierbare Schlitzring 11 durch das durch die Leitung 13 strömende Hochdruckbrenngas geöffnet. Die Charakteristiken des Schlitzringes 11 werden so gewählt, dass eine im wesentlichen gleichbleibende Abbiegung pro Einheit des ausgeübten Druckes eintritt, d.h. eine Kennlinie mit konstanter Belastung erhalten wird. Nach dem Durchgang durch den Schlitz l6 strömt das Brenngas in der oben beschriebenen Weise über die Coanda-Oberfläche.

Der Schlitzring 11 besteht aus einer hohlen kegelförmigen Ringscheibe (Belleville-Peder) und ist aus einem elastischen, deformierbaren Werkstoff, z.B. einem martensitischen Stahl hergestellt und hat einen hohen Steifigkeitsmodul.

Fig. 5 zeigt die verschiedenen Querschnittsformen von kegelförmigen Ringscheiben 11, die im System verwendet werden können.

Ergänzend zu Fig. 3 wird erläutert» dass sich die Angaben p,s,i,g. auf den Druck in der Verteilerleitung und M.M.S.C.F.D. auf die Gasdurchflussmenge beziehen, während die Schlitzweite in Tausendstel Zoll angegeben ist. Die gestrichelte Kurve kennzeichnet den Verlauf bei veränderlichem Schlitz, die ausgezeichneten Kurven den bei unveränderlichem Schlitz«

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Claims

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Patentansprüche

( lMCoanda-Fackeleinheit mit einer Zuführungsleitung (1) für ein unter Druck stehendes Gas und einem Coanda-Körper (j5), der über dem Austritt der Zuführungsleitung (1) so angeordnet ist, dass ein Schlitz für den Ausstoss des Gases längs der Oberfläche (5) des Coanda-Körpers (1) gebildet wird, wobei ein Rand des Schlitzes an die Coanda-Oberflache (5) stösst und der gegenüberliegende Rand des Schlitzes aus einer elastischen Klappe (7) gebildet wird, die innerhalb festgelegter Grenzen als Reaktion auf den Druck des zugeführten Gases biegsam ist und hierbei die effektive Schlitzweite verändert.
2) Coanda-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Klappe (7) gegen die Coanda-Oberfläche (5) vorgespannt ist.
3) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Klappe aus einer Ring-

. scheibe (7) besteht, deren Aussenrand fest eingespannt und deren Innenrand in Abhängigkeit vom Gasdruck frei beweglich ist.
4) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Klappe· aus einer Ringscheibe (7) besteht, deren Innenrand fest eingespannt und deren Aussenrand in Abhängigkeit vom Gasdruck frei beweglich ist.

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5) Coanda-Einheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit zwei oder mehr koaxialen Ringscheiben (7) von gleicher Breite des Ringes und gleichem Durchmesser versehen ist«
6) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Klappe aus einer elastischen kegelförmigen Ringseheibe {11) besteht«
7) Coanda-Einheit nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, dass die kegelförmige Ringscheibe (11) eine Belleville-Feder mit konstanter Dicke ist.
8) Coanda-Einlieit nach Anspruch 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Klappe (7*11) aus einem elastischen Werkstoff mit hohem Steifigkeitssiodul besteht,
9) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Klappe (7*11) aus -iHartensitischein Stahle ferritisohem nichtrostendem Stahl, wärmebehandelteja nichtrostendem Stahl, Beryllium-Kupfer, Aluminiuailegierungen oder einem Kohlefasern enthaltenden Verbundwerkstoff besteht.
10) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 Isis 9* gekennzeichnet durch ein Bauteil, das die Geschwindigkeit des Gases vermindert, nachdem es über die Coanda-Öberflache (5) geströmt ist.

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11) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zur Verminderung der Gasgeschwindigkeit ein Rohr mit grosser werdender Querschnittsfläche ist.
12) Coanda-Finheit nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zur Verminderung der Gasgeschwindigkeit für einen innen durchströmten Coanda-Körper ein Diffusorkegel (6) ist.
Coanda-Einheit nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusorkegel (6) einen einge schlossenen Winkel von 3 bis 10°, vorzugsweise von 4 bis 6° hat.
14) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (10) des Diffusorkegeis (6) einen Durchmesser hat, der das 1,5- bis 2-fache des Durchmessers der Einschnürung beträgt.
15) Coanda-Einheit nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitfläche über der Einheit angeordnet ist.
¹⁶) Aus Coanda-Einheiten nach Anspruch 12 bis 15 bestehende Baugruppe, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt jeder Coanda-Einheit zum Mittelpunkt der benachbarten Coanda-Einheiten einen Abstand hat, der 2 bis 3 Durchmessern des Austritts (10) des Diffusorkegels (6) entspricht.

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