RU2226646C2

RU2226646C2 - Steam generator

Info

Publication number: RU2226646C2
Application number: RU2002111985/06A
Authority: RU
Inventors: Р.Г. Сиразиев; А.К. Мезиков; В.В. Шуриков; Р.Д. Кузеев
Original assignee: Сиразиев Рауф Галяувич; Мезиков Аркадий Константинович; Шуриков Виталий Валерьевич; Кузеев Рауль Джавидович
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2004-04-10

Abstract

FIELD: heat-power engineering; production of steam and hot water. SUBSTANCE: proposed steam generator has steam-and-water reservoir which is partially filled with water, submersible gas burner for preliminary mixing which has orifice for delivery of gas-and-oxygen mixture to outlet hole of burner, pipe concentrically located inside said orifice for supply of oxygen to outlet hole, injector-type mixer and oxygen and hydrocarbon gas control valves. EFFECT: enhanced safety and reliability; enhanced economical efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для производства пара и горячей воды, а также может быть использовано в нефтяной промышленности для повышения эффективности добычи нефти высокой вязкости путем нагнетания в пласт парогазовой смеси, содержащей диоксид углерода.The invention relates to a power system and is intended for the production of steam and hot water, and can also be used in the oil industry to increase the efficiency of high viscosity oil production by injecting a vapor-gas mixture containing carbon dioxide into the formation.

Известно техническое решение-аналог, в соответствии с которым для нагрева воды в емкости используется размещенная в ней погружная горелка, содержащая камеру сгорания, расположенную выше уровня воды, и выходное сопло, срез которого погружен в воду (А.с. 1219874 СССР. M.Кл. F 23 D 14/44, 23.03.86).An analogous technical solution is known, according to which an immersion burner located in it containing a combustion chamber located above the water level and an outlet nozzle, a slice of which is immersed in water, are used to heat water in the tank (A.S. 1219874 USSR. M. CL F 23 D 14/44, 03.23.86).

При сжигании топлива в камере сгорания нагрев воды осуществляется за счет непосредственного контакта с ней поступающих из выходного сопла нагретых продуктов сгорания.When fuel is burned in the combustion chamber, water is heated by direct contact with it from the heated combustion products coming from the outlet nozzle.

Основной недостаток аналога - значительная материалоемкость конструкции погружной горелки, камера сгорания и выходное сопло которой выполняются из дорогостоящих материалов, стойких к коррозии.The main disadvantage of the analogue is the significant material consumption of the design of the submersible burner, the combustion chamber and the outlet nozzle of which are made of expensive materials that are resistant to corrosion.

Другим его недостатком является недостаточно высокая эффективность. Это обусловлено тем, что в нем практически отсутствует отдача тепла лучеиспусканием от факела в камере сгорания непосредственно нагреваемой воде.Its other disadvantage is not high enough efficiency. This is due to the fact that in it there is practically no heat transfer by radiation from the torch in the combustion chamber to directly heated water.

Наиболее близким аналогом изобретения, в котором устранены указанные недостатки, является парогенератор, содержащий пароводяную емкость, частично заполненную водой, погруженное в воду топливосжигающее устройство, снабженное двумя питающими патрубками, один из которых соединен с трубопроводом подачи кислорода, а другой с трубопроводом подачи водорода (патент №2018048 РФ. М.Кл. Р 22 В 1/26, 15.08.94).The closest analogue of the invention, in which these disadvantages are eliminated, is a steam generator containing a steam-water tank partially filled with water, a fuel-burning device immersed in water, equipped with two supply pipes, one of which is connected to the oxygen supply pipe and the other to the hydrogen supply pipe (patent No. 198048 of the Russian Federation. M. Cl. R 22 1/26, 08/15/94).

В этом парогенераторе топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой диффузионной горелки, поэтому горение водорода, идущее одновременно с его перемешиванием с кислородом, в факеле, полностью погруженном в воду, вследствие охлаждения пламени водой неустойчиво и обеспечивается только благодаря постоянно работающей системе зажигания. Известный парогенератор характеризуется низкой безопасностью ввиду возможности образования, при его эксплуатации, гремучей смеси и малой надежностью из-за использования постоянно работающей системы зажигания.In this steam generator, the fuel burning device is made in the form of a gas diffusion burner, therefore, the combustion of hydrogen, which occurs simultaneously with its mixing with oxygen, in a torch completely immersed in water, is unstable due to the cooling of the flame with water and is ensured only thanks to a constantly working ignition system. The known steam generator is characterized by low safety due to the possibility of formation, during its operation, of an explosive mixture and low reliability due to the use of a constantly working ignition system.

Кроме того, недостатком котла является низкая экономичность, что определяется высокой стоимостью водорода.In addition, the disadvantage of the boiler is its low efficiency, which is determined by the high cost of hydrogen.

Задачей изобретения является повышение безопасности и надежности работы парогенератора, а также обеспечение его высокой экономичности. Поставленная цель достигается тем, что известный парогенератор, содержащий пароводяную емкость, частично заполненную водой, погруженное в воду топливосжигающее устройство, снабженное двумя питающими патрубками, один из которых соединен с трубопроводом подачи кислорода, отличается тем, что второй питающий патрубок топливосжигающего устройства соединен с трубопроводом подачи углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, а топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой горелки предварительного смешения, имеющей канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие газовой горелки, погруженное в воду, а также концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию газовой горелки.The objective of the invention is to increase the safety and reliability of the steam generator, as well as ensuring its high efficiency. This goal is achieved in that the known steam generator containing a steam-water tank partially filled with water, a fuel-burning device immersed in water, equipped with two supply pipes, one of which is connected to the oxygen supply pipe, is characterized in that the second supply pipe of the fuel-burning device is connected to the supply pipe hydrocarbon gas, for example propane-butane mixture or natural gas, and the fuel burning device is made in the form of a gas burner preliminary mixture a chamber having a channel for supplying a gas-oxygen mixture to the outlet of the gas burner immersed in water, and also a pipe concentrically located in the channel for supplying oxygen to the outlet of the gas burner.

Отличительными признаками предлагаемого парогенератора является то, что второй питающий патрубок топливосжигающего устройства соединен с трубопроводом подачи углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, а топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой горелки предварительного смешения, имеющей канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие газовой горелки, погруженное в воду, а также концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию газовой горелки.Distinctive features of the proposed steam generator is that the second supply pipe of the fuel burning device is connected to a pipeline for supplying a hydrocarbon gas, for example a propane-butane mixture or natural gas, and the fuel burning device is made in the form of a gas pre-mixing burner having a channel for supplying the gas-oxygen mixture to the gas outlet burners immersed in water, as well as a pipe concentrically located in the channel for supplying oxygen to the outlet of the gas mount ki.

Благодаря этому повышается безопасность и надежность работы парогенератора, а также обеспечивается его высокая экономичность.This increases the safety and reliability of the steam generator, and also ensures its high efficiency.

На чертеже показана функциональная схема парогенератора.The drawing shows a functional diagram of a steam generator.

Парогенератор содержит пароводяную емкость 1, частично заполненную водой, газовую горелку предварительного смешения 2, выходное отверстие 3 которой погружено в воду, снабженную питающими патрубками 4 и 5, соединенными соответственно с трубопроводами подачи кислорода и углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, трубопроводы 6 отвода пара и 7 отвода горячей воды с установленными в них вентилями соответственно 8 и 9, подводящий водопровод 10 с вентилем 11 и систему зажигания 12. Газовая горелка 2 содержит корпус 13, имеющий канал 14 для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие 3 горелки 2, концентрично расположенную в канале 14 трубу 15 для подвода кислорода к выходному отверстию 3, инжекторный смеситель 16, регулирующие вентили кислорода 17 и 18 и углеводородного газа 19. Канал 14 для подачи газокислородной смеси состоит из входного цилиндрического участка 20, переходного конфузорного участка 21 и выходного цилиндрического участка 22. Входной цилиндрический участок 20 канала 14 через штуцер 23 соединен с выходом смесителя 16, один вход которого через регулирующий вентиль кислорода 18 соединен с питающим патрубком 4, а второй вход через регулирующий вентиль углеводородного газа 19 соединен с питающим патрубком 5.The steam generator contains a steam-water tank 1, partially filled with water, a gas pre-mixing burner 2, the outlet 3 of which is immersed in water, equipped with supply pipes 4 and 5, connected respectively to pipelines for supplying oxygen and hydrocarbon gas, for example propane-butane mixture or natural gas, the pipelines 6 of the steam outlet and 7 of the hot water outlet with valves 8 and 9 respectively installed therein, a water supply pipe 10 with a valve 11 and an ignition system 12. The gas burner 2 comprises a housing 13, and sweeping channel 14 for supplying the gas-oxygen mixture to the outlet 3 of the burner 2, a pipe 15 concentrically located in the channel 14 for supplying oxygen to the outlet 3, an injection mixer 16, control valves for oxygen 17 and 18 and hydrocarbon gas 19. Channel 14 for supplying the gas-oxygen mixture consists of an inlet cylindrical section 20, a transitional confuser section 21, and an outlet cylindrical section 22. The inlet cylindrical section 20 of the channel 14 is connected through the nozzle 23 to the output of the mixer 16, one input of which through the regulator ruyuschy oxygen valve 18 is connected to a supply pipe 4 and the second input through the control valve 19 of the hydrocarbon gas is connected to supply pipe 5.

В входном участке трубы 15 установлен штуцер 24, который через регулирующий вентиль кислорода 17 соединен с питающим патрубком 4. Выходной участок трубы 15 закреплен в корпусе 13 с помощью втулки 25, имеющей каналы 26 для прохода газокислородной смеси.A fitting 24 is installed in the inlet section of the pipe 15, which is connected to the supply pipe 4 through an oxygen control valve 17. The outlet section of the pipe 15 is fixed in the housing 13 by means of a sleeve 25 having channels 26 for passing the gas-oxygen mixture.

Парогенератор работает следующим образом.The steam generator operates as follows.

Запуск парогенератора производится при частичном заполнении водой из питающего водопровода 10 через вентиль 11 емкости 1 до уровня, расположенного выше выходного отверстия 3 газовой горелки 2.The steam generator is started when it is partially filled with water from the supply water pipe 10 through the valve 11 of the tank 1 to a level located above the outlet 3 of the gas burner 2.

После открывания вентилей 18 и 19 кислород и углеводородный газ из питающих патрубков 4 и 5 подаются в смеситель 16. Образованная в смесителе 16 газокислородная смесь через штуцер 23 и канал 14 подается в выходное отверстие 3 газовой горелки 2. При открытом положении вентиля 17 часть кислорода из питающего патрубка 4 через штуцер 24 и трубу 15 также подается к выходному отверстию 3 газовой горелки 2. На выходе из отверстия 3 потоки газокислородной смеси и кислорода воспламеняются с помощью системы зажигания 12, которая включается на время розжига газовой горелки 2. В результате чего возникает устойчивое пламенное горение углеводородного газа в факеле, погруженном в воду.After the valves 18 and 19 are opened, oxygen and hydrocarbon gas from the supply pipes 4 and 5 are supplied to the mixer 16. The gas-oxygen mixture formed in the mixer 16 is supplied through the nozzle 23 and the channel 14 to the outlet 3 of the gas burner 2. When the valve 17 is open, part of the oxygen from the supply pipe 4 through the nozzle 24 and the pipe 15 is also fed to the outlet 3 of the gas burner 2. At the outlet of the hole 3, the flows of the gas-oxygen mixture and oxygen are ignited by the ignition system 12, which is turned on during the gas ignition burner 2. As a result, there is a stable flame burning hydrocarbon gas in the flame, immersion in water.

С помощью регулирующих вентилей кислорода 17 и 18 и углеводородного газа 19 обеспечивается стехиометрическое соотношение объемов углеводородного газа и кислорода, выходящих из канала 14 и трубы 15 через отверстие 3 газовой горелки 2, чем достигается полнота сжигания углеводородного газа.Using the control valves of oxygen 17 and 18 and hydrocarbon gas 19, a stoichiometric ratio of the volumes of hydrocarbon gas and oxygen leaving the channel 14 and pipe 15 through the opening 3 of the gas burner 2 is ensured, thereby achieving complete combustion of the hydrocarbon gas.

Одновременно вентилем 17 регулируют подачу кислорода в трубу 15 таким образом, чтобы скорость истечения струи кислорода из центра выходного отверстия 3 превышала скорость истечения из кольцевого зазора между трубой 15 и внутренней поверхностью канала 14 газокислородной смеси, поток которой на начальном участке после выхода из отверстия 3 сохраняет кольцевую форму. При этом наружная поверхность кольцевого потока газокислородной смеси отсекает факел, с проходящей вдоль его оси струей кислорода, от окружающей факел воды. Благодаря разрежению, которое создается вокруг струи кислорода при ее выходе из отверстия 3, происходит рециркуляция части раскаленных продуктов сгорания, отходящих от внутренней поверхности кольцевого потока, по приосевой зоне факела в обратном направлении к его корню, вследствие чего здесь создается постоянный источник воспламенения поступающей газокислородной смеси и тем самым обеспечивается непрерывное зажигание факела при выключенной системе зажигания 12. Кроме того, струя кислорода, проходящая вдоль оси факела, фокусирует его, что увеличивает протяженность факела и, следовательно, эффективность нагрева окружающей факел воды.At the same time, the valve 17 controls the supply of oxygen to the pipe 15 so that the rate of flow of the oxygen stream from the center of the outlet 3 exceeds the rate of flow from the annular gap between the pipe 15 and the inner surface of the channel 14 of the gas-oxygen mixture, the flow of which at the initial section after leaving the hole 3 retains ring shape. In this case, the outer surface of the annular flow of the gas-oxygen mixture cuts off the torch, with a stream of oxygen passing along its axis, from the water surrounding the torch. Due to the rarefaction that is created around the oxygen stream when it leaves the opening 3, some of the incandescent products of combustion leaving the inner surface of the annular stream are recirculated along the axial zone of the torch in the opposite direction to its root, as a result of which a constant source of ignition of the incoming gas-oxygen mixture is created here and thereby provides continuous ignition of the torch with the ignition system 12 turned off. In addition, the oxygen stream passing along the axis of the torch focuses it, h This increases the length of the torch and, consequently, the efficiency of heating the water surrounding the torch.

Сжигание углеводородного газа в факеле, погруженном в воду, приводит к повышению температуры воды и образованию пара в емкости 1. При достижении заданных параметров пара (температуры и давления) открывается вентиль 8, и пар через трубопровод 6 отводится потребителю. Одновременно от подводящего трубопровода 10 через открытый вентиль 11 производится подпитка парогенератора водой. Таким образом, в процессе работы парогенератора поддерживается постоянное значение уровня воды в емкости 1, при котором выходное отверстие 3 газовой горелки 2 остается полностью погруженным в воду.The burning of hydrocarbon gas in a plume immersed in water leads to an increase in water temperature and the formation of steam in tank 1. When the specified steam parameters (temperature and pressure) are reached, valve 8 opens and steam is discharged through line 6 to the consumer. At the same time, from the supply pipe 10 through the open valve 11, the steam generator is fed with water. Thus, during the operation of the steam generator, a constant value of the water level in the tank 1 is maintained, at which the outlet 3 of the gas burner 2 remains completely immersed in water.

Парогенератор может работать как в режиме производства только пара, так и в режиме производства пара и горячей воды. В последнем случае при работе парогенератора дополнительно открывается вентиль 9 трубопровода 7 отвода горячей воды.The steam generator can operate both in the steam production mode only and in the steam and hot water production mode. In the latter case, when the steam generator is operating, the valve 9 of the pipeline 7 of the hot water outlet additionally opens.

Испытания предложенного парогенератора показали его высокую эффективность, что обусловлено практически полным использованием тепла от сгорания углеводородного газа в факеле, погруженном в воду, вследствие того что при таком нагреве воды в парогенераторе имеет место совместное действие основных видов теплопередачи воде от факела и продуктов сгорания: теплового излучения, конвекции и теплопроводности. Также в процессе нагрева используется теплота водяных паров, образовавшихся при сгорании углеводородного газа. Кроме того, высокая эффективность парогенератора обеспечивается и тем, что при контакте высокотемпературного факела с водой происходит частичный синтез генераторного газа, состоящего из оксида углерода и водорода, имеющих более высокие температуры сгорания, чем, например, пропан-бутановая смесь или природный газ. Вследствие этого полностью компенсируется снижение отдачи тепла воде лучеиспусканием от факела, вызванное его охлаждением окружающей водой.Tests of the proposed steam generator showed its high efficiency, which is due to the almost complete use of heat from the combustion of hydrocarbon gas in a plume immersed in water, due to the fact that with such heating of the water in the steam generator, the main types of heat transfer to the water from the plume and combustion products take place: thermal radiation convection and thermal conductivity. The heat of water vapor generated during the combustion of hydrocarbon gas is also used in the heating process. In addition, the high efficiency of the steam generator is ensured by the fact that upon contact of the high-temperature plume with water, a partial synthesis of the generator gas, consisting of carbon monoxide and hydrogen, having higher combustion temperatures than, for example, a propane-butane mixture or natural gas, occurs. As a result of this, the reduction in heat loss to water by radiation from the plume due to its cooling by surrounding water is fully compensated.

Благодаря высокой эффективности, безопасности и надежности предложенного парогенератора возможно теплофикационное направление его использования для автономного паро- и водотеплоснабжения индивидуальных потребителей. При этом качество произведенных парогенератором пара и горячей воды за счет увеличения в них содержания диоксида углерода меняется незначительно, что вполне допустимо в теплофикации. В случае необходимости возможно проведение декарбонизации горячей воды физическими или химическими методами. Широкому применению парогенератора способствует также наличие доступных источников углеводородного газа и возможность получения кислорода в месте установки парогенератора с помощью мембранных воздухоразделительных агрегатов или турбодетандерных установок для сжижения воздуха.Due to the high efficiency, safety and reliability of the proposed steam generator, it is possible to use heat-generating direction for its use for autonomous steam and water heating of individual consumers. At the same time, the quality of the steam and hot water produced by the steam generator due to an increase in the content of carbon dioxide in them changes insignificantly, which is quite acceptable in heating. If necessary, it is possible to conduct decarbonization of hot water by physical or chemical methods. The widespread use of the steam generator is also facilitated by the availability of available sources of hydrocarbon gas and the possibility of producing oxygen at the installation site of the steam generator using membrane air separation units or turbo-expander units for liquefying air.

Основным направлением применения парогенератора является увеличение добычи нефти высокой вязкости за счет воздействия на продуктивный пласт произведенного парогенератором пара, содержащего диоксид углерода. Проведенные исследования (см. Козлов В.Б. Экологически чистый способ добычи нефти высокой вязкости//Безопасность труда в промышленности. - 2000, №3. - С. 38-39) показали, что при нагнетании в скважину пара, содержащего диоксид углерода, обеспечивается повышение коэффициента нефтеизвлечения на 5,3% по сравнению с обычным нагнетанием пара в пласт. Кроме того, увеличивается темп вытеснения нефти, уменьшается удельный расход теплоносителя и обводненности добываемой продукции.The main application of the steam generator is to increase the production of high viscosity oil due to the impact on the reservoir of steam produced by the steam generator containing carbon dioxide. The studies (see Kozlov VB Environmentally friendly method for producing high viscosity oil // Labor safety in industry. - 2000, No. 3. - P. 38-39) showed that when steam containing carbon dioxide is injected into the well, provides an increase in oil recovery by 5.3% compared with conventional injection of steam into the reservoir. In addition, the rate of oil displacement increases, the specific consumption of the coolant and the water cut of the produced products decrease.

Claims

Парогенератор, содержащий пароводяную емкость, частично заполненную водой, погруженное в воду топливосжигающее устройство, снабженное двумя питающими патрубками, один из которых соединен с трубопроводом подачи кислорода, отличающийся тем, что второй питающий патрубок топливосжигающего устройства соединен с трубопроводом подачи углеводородного газа, например пропан-бутановой смеси или природного газа, а топливосжигающее устройство выполнено в виде газовой горелки предварительного смешения, имеющей канал для подачи газокислородной смеси в выходное отверстие газовой горелки, погруженное в воду, а также концентрично расположенную в канале трубу для подвода кислорода к выходному отверстию газовой горелки.A steam generator comprising a steam-water tank partially filled with water, a fuel burning device immersed in water, provided with two supply pipes, one of which is connected to an oxygen supply pipe, characterized in that the second supply pipe of the fuel burning device is connected to a hydrocarbon gas supply pipe, for example, propane-butane mixture or natural gas, and the fuel burning device is made in the form of a gas burner pre-mixing, having a channel for supplying gas-oxygen mixture into the outlet of the gas burner immersed in water, as well as a pipe concentrically located in the channel for supplying oxygen to the outlet of the gas burner.