нагреватель парогенераторной установки

Формула изобретения

1. Нагреватель парогенераторной установки, включающий раму, кожух, выполненный из коаксиально расположенных наружной и внутренней обечаек, два коаксиально расположенных внутри кожуха змеевика, плоский потолочный змеевик и горелочное устройство, отличающийся тем, что внутренняя обечайка кожуха снабжена спиральным оребрением в виде пристенной спиральной навивки, внутренний змеевик выполнен из труб большего диаметра, чем наружный, причем последний имеет коническую форму для образования с внутренней стенкой кожуха канала для отходящих газов переменного поперечного сечения с уменьшением последнего в направлении движения отходящих газов.

2. Нагреватель парогенераторной установки по п.1, отличающийся тем, что соединение потолочного и внутреннего змеевиков выполнено с обеспечением направления движения воды во внутреннем змеевике снизу вверх.

3. Нагреватель парогенераторной установки по пп.1 и 2, отличающийся тем, что соединение наружного, потолочного и внутреннего змеевиков осуществлено с помощью быстроразборных элементов снаружи кожуха с герметизацией места выхода труб из кожуха.

4. Нагреватель парогенераторной установки по пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что змеевики нагревателя смонтированы строго перпендикулярно на раме с помощью профилированных фланцев с учетом угла навивки змеевиков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области генерирования пара и, в частности, представляет собой нагреватель парогенераторной установки на жидком топливе, предназначенной, например, для использования в нефтегазодобывающей отрасли при разработке нефтяных и газовых месторождений для увеличения нефтеотдачи пластов с использованием пара, для выполнения технологических операций депарафинизации скважин, обогрева, обмыва оборудования и в других случаях.

Известен котлоагрегат, служащий для генерации пара путем нагревания воды сжигаемым в топочном пространстве дизельным топливом (см., н-р, Техническое описание "Котлоагрегат КПА-500*", запорожского производственного объединения "Моторостроитель". Издание ЗПО "Моторостроитель", 1981г.). Основной частью котлоагрегата является паровой котел, включающий корпус, кожух, раму, шкаф управления, пароводяную, топливную, воздушную и электрическую системы. Этот котлоагрегат плохо приспособлен для использования на нефтепромыслах для указанных выше целей.

В настоящее время НПАК "РАНКО" выпускает ряд прямоточных змеевиковых котельных агрегатов типа ТКУ, ППУ и мобильный агрегат депарафинизации нефтяных скважин типа АДПМ с нагревательным котлом указанного типа (см, н-р, "Установка промысловая паровая передвижная ППУ 1600/100. Каталог деталей и сборочных единиц"-М. : Внешторгиздат, 1980; Транспортабельная котельная установка ТКУ 1,6/06 - Д-В Техническое описание и инструкция - М.: ЗАО НПАК "РАНКО" "ЗЭМ"; "Агрегат для депарафинизации АДПМ -12/150. Каталог деталей и сборочных единиц". - М.: Внешторгиздат, 1980).

Нагреватели этих установок представляют собой конструкцию, образованную двумя плотными коаксиальными змеевиками, вставленными один в другой. Внешний змеевик накрыт потолком в виде спирального змеевика. Змеевики заключены в цилиндрический полый кожух, низ которого закрыт поддоном, через который подводится подогретый в кожухе воздух для сжигания топлива в горелке, установленной в отверстии в середине поддона. Питательная вода подводится к нижней части внешнего змеевика, от него к потолочному змеевику и затем к верхней части внутреннего змеевика и от нижней его части идет к потреблению. Внутренний змеевик с днищем и потолком образует топочное пространство. Продукты сгорания выходят из топки вверху через специально образованное окно. Этот нагреватель может быть принят за прототип заявляемого технического решения (см. приложение 1 - см. указанный выше источник "Агрегат для депарафинизации АДПМ - 12/150. Каталог деталей и сборочных единиц". - М.: Внешторгиздат, 1980г., с. 9-11, рис.2).

Специфика передвижной установки, эксплуатируемой в сложных промысловых условиях, диктует необходимость максимального повышения КПД с целью сокращения расхода дизтоплива. Кроме того, важным является оптимизация работы установки с целью получения пара требуемой степени сухости во избежание нерационального использования подготовленной воды, подвоз которой в условиях отдаленности от промышленных баз и низких температурах представляет значительную сложность и приводит к существенным затратам.

Недостатками известных конструкций являются низкий КПД; плохая экологичность из-за высокой температуры дымовых газов на выходе; неустойчивая работа на режиме розжига горелки; трудоемкость ремонта или замены змеевиков в случае потери их герметичности (из-за неразборности конструкции для этого требуется выполнение квалифицированных сварочных работ аттестованными специалистами).

Достигнутые значения КПД нагревателя в установках типа ППУ, в зависимости от расхода и давления, не превышают 83-91,8%; гидравлические потери давления в змеевике при максимальной производительности и работе на режимах низкого давления составляют более 4МПа, температура отходящих газов составляет 307^oС при экологической норме не выше 220^oС, в установках отсутствует возможность оптимизации процесса парообразования и контроля степени сухости пара.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является устранение указанных недостатков известных конструкций и создание такого нагревателя парогенераторной установки на жидком топливе, который обеспечивал бы снижение гидравлических потерь давления в змеевике при максимальной производительности и работе на низком давлении, повышение КПД нагревателя, снижение температуры отходящих газов до экологической нормы, упрощение ремонта или замены змеевиков при необходимости и т.о. повышение эффективности работы нагревателя и парогенераторной установки в целом.

Для решения поставленной задачи нагреватель парогенераторной установки включает раму, кожух, выполненный из коаксиально расположенных наружной и внутренней обечаек, два коаксиально расположенных внутри кожуха змеевика, плоский потолочный змеевик и горелочное устройство. Характерной особенностью нагревателя является то, что внутренняя обечайка кожуха снабжена спиральным оребрением, в виде пристенной спиральной навивки, внутренний змеевик выполнен из труб большего диаметра, чем наружный, причем последний имеет коническую форму, образуя с внутренней стенкой кожуха канал для отходящих газов переменного поперечного сечения с уменьшением последнего в направлении движения отходящих газов. Соединение потолочного и внутреннего змеевиков выполнено с обеспечением направления движения воды во внутреннем змеевике снизу вверх. Указанное соединение осуществлено с помощью быстроразборных элементов снаружи корпуса с герметизацией места выхода труб из кожуха. Змеевики нагревателя смонтированы строго перпендикулярно на раме с помощью профилированных фланцев с учетом угла навивки змеевиков.

Возможность осуществления заявляемого технического решения доказывается отечественной и зарубежной практикой успешного использования в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности парогенераторных установок на жидком топливе.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы для ее осуществления и достаточны, поскольку обеспечивают решение поставленной задачи - повышение КПД нагревателя, снижение гидравлических потерь давления в змеевике при максимальной производительности и работе на режимах низкого давления, снижение температуры отходящих газов до экологической нормы, упрощение ремонта или замены змеевиков при необходимости и т. о. повышения эффективности работы нагревателя и парогенераторной установки в целом.

В дальнейшем заявляемое техническое решение поясняется примером его выполнения, схематически изображенным на прилагаемых чертежах, на которых:

фиг.1 - схематическое изображение нагревателя парогенераторной установки в соответствии с заявляемым техническим решением в продольном разрезе;

фиг. 2 - схематическое изображение монтажного узла змеевиков нагревателя парогенераторной установки в соответствии с заявляемым техническим решением;

фиг.3 - схема соединения змеевиков нагревателя парогенераторной установки:

а) для высокого давления,

б) для низкого давления.

Фиг. 4 - схематическое изображение герметизированного ввода трубопровода в нагревателе парогенераторной установки в соответствии с заявляемым техническим решением.

Нагреватель парогенераторной установки, в соответствии с заявляемым техническим решением, включает раму 1 (фиг.1), на которой смонтирован кожух 2, выполненный из коаксиально расположенных наружной 3 и внутренней 4 обечаек. Внутри кожуха 2 коаксиально расположены два змеевика - наружный 5 и внутренний 6. Кроме того, нагреватель включает плоский потолочный змеевик 7 и горелочное устройство 8. Полость кожуха 2 образует топочное пространство 9. Внутренняя обечайка 4 кожуха 2 снабжена спиральным оребрением 10 в виде пристенной спиральной навивки. Внутренний змеевик 6 выполнен из труб большего диаметра, чем наружный змеевик 5. При проектировании нагревателя следует принять во внимание, что отношение диаметров труб внутреннего и наружного змеевиков увеличивается по мере снижения требуемого выходного рабочего давления нагревателя. Наружный змеевик 5 имеет коническую форму (фиг.1 и 2). Он образует со внутренней стенкой обечайки 4, т.е. со внутренней стенкой кожуха, канал 11 для отходящих из топочного пространства 9 газов. Канал 11 имеет переменное поперечное сечение, уменьшающееся в направлении движения отходящих газов. Соединение потолочного змеевика 7 (являющегося частью наружного змеевика 5) с внутренним змеевиком 6 может быть выполнено в вариантах для высокого давления пара (фиг.3а) или для низкого давления пара (фиг.3б).

В последнем случае обеспечивается движение воды во внутреннем змеевике снизу вверх (фиг.3б).

Соединение 12 наружного потолочного змеевика 7 и внутреннего змеевика 6 осуществлено с помощью соединительного патрубка 13 и быстроразъемных элементов известной конструкции снаружи кожуха с герметизацией выхода труб из кожуха с помощью уплотнения 14 и прижимной гайки 15 (фиг.1,4).

Змеевики 5 и 6 нагревателя смонтированы строго перпендикулярно на раме 1 с помощью профилированных фланцев 16 и 17с учетом угла навивки змеевиков (фиг.2).

Работа заявляемого нагревателя парогенераторной установки осуществляется следующим образом.

Холодная вода поступает от водяного насоса (не показан) парогенераторной установки во внутренний змеевик 6, который фактически образует топочное пространство 9 и далее через соединительный патрубок 13 поступает в плоский потолочный змеевик и затем в наружный змеевик 5.

Горячие газы, образующиеся в процессе сгорания топлива в топочном пространстве 9 в результате работы горелки 8, отражаются от плоского потолочного змеевика 7 и далее движутся вниз по зазору между внутренним и наружным змеевиками (соответственно 6 и 5), производя нагрев пара до нужной температуры и сухости. Отвод пара осуществляется из нижней части наружного змеевика 5 (фиг. 1). Воздух на горелку 8 подается вентилятором парогенераторной установки по каналу, образованному наружной и внутренней обечайками (соответственно 3 и 4) кожуха 2 нагревателя и далее через раму 1 с воздушным коллектором в горелку 8 для смешения с топливом, подаваемым топливным насосом парогенераторной установки (не показан).

В заявляемой конструкции внутренний змеевик 6 нагревателя выполнен из труб большего диаметра, чем наружный змеевик 5, что способствует лучшему парообразованию, а также снижает гидравлические потери в змеевике, тем самым уменьшая потребляемую мощность на привод водяного насоса. Лучшее парообразование достигается путем более раннего перехода расслоенного течения пароводяной смеси в пузырьковое (см., н-р, книгу "Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Книга 2" под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зотова. М.: Энергоатомиздат, 1988г., с.95-96; а также книгу "Теория тепломассообмена" под редакцией А.И. Леонтьева/ М.: Высшая школа, 1979г., с.409, рис.VIII. 34).

В процессе движения горячих газов и теплопередачи через трубы змеевиков происходит охлаждение газов, что приводит к увеличению их плотности, уменьшению скорости их движения и снижению эффективности конвективной теплоотдачи (см. книгу Михеева М.А. и Михеевой И.М. "Основы теплопередачи". М.: Энергия, 1977г. , с. 64). В связи с этим в заявляемой конструкции наружный змеевик 5 выполнен конической формы для образования с внутренней стенкой кожуха канала для отходящих газов переменного поперечного сечения с уменьшением последнего в направлении движения отходящих газов (фиг.1,2) для сохранения скорости потока газов. Кроме повышения эффективности теплопередачи достигается большее охлаждение (снижение температуры отходящих из нагревателя газов) и т. о. повышается экологичность нагревателя.

Пристенная спиральная навивка 10, образующая оребрение внутренней обечайки 4 кожуха 2, увеличивает турбулентность потока подаваемого в зазор между внутренней и наружной обечайками (соответственно 4 и 3) холодного воздуха, увеличивает путь холодного воздуха к горелочному устройству 8 и повышает эффективность его нагрева (см. , н-р, указанную выше книгу "Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент". Книга 2, с. 216, 218,222).

В отличие от прототипа, в котором соединение змеевиков между собой выполняется сваркой и осуществляется внутри нагревателя, в заявляемом техническом решении с целью упрощения процедуры ремонта нагревателя соединение между собой наружного, потолочного и внутренних змеевиков выполнено на быстроразборных элементах и осуществляется снаружи кожуха (фиг.4).

Применение быстроразборных элементов и соединение змеевиков снаружи кожуха позволяет также поменять схему их обвязки и тем самым изменить направление потока воды во внутреннем змеевике, что будет способствовать лучшему парообразованию при работе на режимах низкого давления (фиг.3б), обусловленному гравитационной сепарацией воды и пара, и большей скоростью движения пара относительно жидкой фазы, имея в виду, что в этом случае направление движения пара совпадает с градиентом плотности рабочего тела.

Другими словами, при работе в режиме высокого давления пара (как, например, в известной конструкции прямоточного котла ППУА 1600/100) создается достаточное противодавление, удерживающее воду в верхней части внутреннего змеевика 6 (фиг.3а) давлением образовавшегося пара.

При работе в режиме низкого давления пара противодавление образовавшегося пара недостаточно и поэтому имеет место совместное течение пара и воды, что снижает сухость пара ввиду наличия двух фаз теплоносителя. При организации движения потока во внутреннем змеевике 6 снизу вверх (фиг.3б) совместное течение двух фаз не происходит вследствие исключения гравитационной составляющей. При этом повышается сухость пара.