[0001] 本发明涉及一种火炬， 特别涉及一种依靠气源能量提供冷却空气的火 炬。

背景技术

[0002] 现有的地面弓 I射式火炬燃烧所需的空气是依靠气源引射所� �， 当燃烧室内的燃 气燃烧吋， 引射的空气都参与混合燃烧了， 没有多余的空气用来冷却， 燃烧室 外壁直接暴露在高温环境下， 没有冷却措施。 为了保证燃烧室的使用， 减小对 外辐射， 火炬的燃烧室外壁一般都是采用耐火材料加隔 热材料， 或者是采用高 温合金真空夹层等结构。 但这样势必会造成材料投入成本高， 火炬的结构体积 增大， 且耐火隔热材料大多存在环保问题。 而且野外井场本来就存在电力资源 紧张的问题， 如果另外加设冷却设备， 电力供应不足的情况则会进一步加剧。 技术问题

[0003] 有鉴于此， 本发明提出一种依靠气源能量提供冷却空气的 火炬。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 一种依靠气源能量提供冷却空气的火炬， 包括燃烧装置， 所述燃烧装置包括燃 气入口和冷却通道入口； 透平压气机， 所述透平压气机包括转轴以及固定在所 述转轴上的透平和压气机， 所述透平具有透平入口部和透平出口部， 所述透平 入口部用以接收高压燃气， 所述压气机包括压气机入口部和压气机出口部 ， 所 述压气机入口部用以接收环境空气； 燃气通道， 所述燃气通道连接在所述透平 出口部与所述燃气入口之间； 以及冷却空气通道， 所述冷却空气通道连接在所 述压气机出口部与所述冷却通道入口之间。

[0005] 在一实施例中， 所述火炬还包括热交换器， 所述热交换器设置在所述燃气通道 和冷却空气通道的路径上， 用以将所述压气机出口部排出的压缩空气的热 量交 换至所述透平出口部排出的膨胀燃气上。

[0006] 在一实施例中， 所述热交换器包括翅片管散热器。 [0007] 在一实施例中， 所述透平压气机包括外壳， 所述透平、 压气机、 热交换器安装 在所述外壳内， 构成一个模块单元。

[0008] 在一实施例中， 所述透平压气机还包括发电机， 所述发电机与所述透平压气机 传动连接。

[0009] 在一实施例中， 所述火炬包括沿竖直方向布置的多层防护罩， 每层防护罩在周 向上封闭以形成具有上下两幵口端的燃烧室， 在竖直方向上相邻的两层防护罩 中， 上一层防护罩的径向宽度大于下一层的径向宽 度， 使得在相邻两层防护罩 之间形成一与燃烧室流体相通的引射区， 每层防护罩下端均设有所述冷却通道 入口； 所述引射区内设有若干引射式燃烧器， 每层防护罩包括形成所述燃烧室 的燃烧室壁筒和设置在所述燃烧室壁筒外部的 冷却夹套， 每层防护罩的所述冷 却夹套与所述燃烧室壁筒在上下缘位置均密封 连接， 所述冷却夹套与所述燃烧 室壁筒之间形成冷却流道， 所述燃烧室壁筒上形成与所述燃烧室和冷却流 道连 通的通气结构， 所述冷却夹套底端设有与所述冷却流道连通的 环形管， 所述冷 却通道入口设置在所述环形管上。

[0010] 在一实施例中， 所述火炬包括形成燃烧室的燃烧室壁筒和设置 在所述燃烧室壁 筒外部的冷却夹套， 所述冷却夹套与所述燃烧室壁筒之间形成冷却 流道， 所述 冷却夹套与所述燃烧室壁筒在上下缘位置均密 封连接， 所述燃烧室壁筒上形成 与所述燃烧室和冷却流道连通的通气结构， 所述冷却夹套底端设有与所述冷却 流道连通的环形管， 所述冷却通道入口设置在所述环形管上。

[0011] 在一实施例中， 所述通气结构为贯穿所述壁筒的若干冷却气孔 ， 所述冷却气孔 分别与所述燃烧室和冷却流道连通。

[0012] 在一实施例中， 所述燃烧室壁筒包括沿竖直方向布置的多层壁 筒， 在竖直方向 上相邻的两层壁筒中， 上一层壁筒的径向宽度大于下一层的径向宽度 ， 使得在 相邻两层壁筒之间形成一与所述燃烧室和冷却 流道流体相通的间隙。

[0013] 在一实施例中， 所述通气结构包括设置在所述间隙内的波浪形 片状结构， 所述 波浪形片状结构形成若干冷却气道， 包括第一冷却气道和第二冷却气道， 所述 第一冷却气道包括波浪幵口朝向上层壁筒的冷 却气道， 所述第二冷却气道包括 波浪幵口朝向下层壁筒的冷却气道。 发明的有益效果

有益效果

[0014] 综上所述， 本发明提出一种可有效利用油井或气井里需要 处理的高压气源压能 为火炬燃烧室壁面提供冷却空气的火炬。 在火炬气源入口处设置一透平压气机 ， 高压气源通过透平涡轮对涡轮做功， 压力降低的高压气源进入火炬燃烧室燃 烧。 涡轮旋转驱动同轴的压气机， 压气叶轮从大气中吸取空气压缩再经散热器 冷却后输送至火炬燃烧室壁面， 冷却燃烧室壁面。 本发明以气源压能作为动力 来源， 将高压气源通入透平降低了气源的压力， 减少了高压减压设备的投入， 同吋利用压气机及散热器为燃烧室壁面提供冷 却空气， 解决了燃烧室壁面无法 冷却的问题， 增加了燃烧室的使用寿命， 减少耐火材料、 隔热材料、 高温合金 真空夹层结构的使用， 缩小设备体积， 降低成本。 此外， 本发明还在透平压气 机外连接一发电机， 驱动该发电机发电以为火炬提供电力， 充分利用了气源蕴 含的压能， 缓解野外井场电力资源紧张的问题。

对附图的简要说明

附图说明

[0015] 图 1为本发明火炬的运行流程图。

[0016] 图 2为本发明火炬一实施例的局部剖视图。

[0017] 图 3为图 2的另一角度的局部剖视图。

[0018] 图 4为图 3中圈 A部分结构的放大示意图。

[0019] 图 5为本发明火炬另一实施例的局部剖视图。

[0020] 图 6为图 5的另一角度的局部剖视图。

[0021] 图 7为图 6中圈 B部分结构的放大示意图。

本发明的实施方式

[0022] 在详细描述实施例之前， 应该理解的是， 本发明不限于本申请中下文或附图中 所描述的详细结构或元件排布。 本发明可为其它方式实现的实施例。 而且， 应 当理解， 本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途， 不应作限定性解释。 本 文所使用的"包括"、 "包含"、 "具有"等类似措辞意为包含其后所列出之事项� �� 其 等同物及其它附加事项。 特别是， 当描述 "一个某元件 "吋， 本发明并不限定该元 件的数量为一个， 也可以包括多个。

[0023] 如图 1所示， 本发明提出一种强制气膜冷却的火炬， 该火炬包括燃烧装置 10、 透平压气机 12、 燃气通道 14和冷却空气通道 16， 其中燃气通道 14和冷却空气通 道 16分别连接在透平压气机 12与燃烧装置 10之间。 本实施例中， 为了方便安装 ， 透平压气机 12设置在燃烧装置 10的气源入口处， 在其他实施例中， 根据实际 安装需要， 透平压气机 12也可以设置在燃烧装置 10的其他位置。 燃烧装置 10包 括燃气入口 18和连通至燃烧装置 10的燃烧室壁面的冷却通道入口 20。

[0024] 透平压气机 12包括转轴 22以及固定安装在转轴 22上的透平 24和压气机 26。 其中 ， 透平 24可以是轴流型或径流型， 压气机 26也可以是轴流型或径流型。 本实施 例中， 透平 24和压气机 26均采用轴流型， 并共同组成轴流透平压气机。

[0025] 透平 24包括透平入口部 28和透平出口部 30， 透平入口部 28用以通入高压燃气， 例如来自井场的高压天然气。 燃气通道 14连接在透平出口部 30与燃烧装置 10的 燃气入口 18之间， 用以向燃烧装置 10提供燃烧所需要的燃气。 高压天然气进入 透平 24驱动透平涡轮旋转， 高压天然气膨胀后压力降低， 经透平 24膨胀降压的 天然气经透平出口部 30排出进入燃气通道 14， 然后经燃气入口 18进入燃烧装置 1 0的燃烧室进行燃烧。

[0026] 压气机 26包括压气机入口部 32和压气机出口部 34， 冷却空气通道 16连接在压气 机出口部 34与燃烧装置 10的冷却通道入口 20之间。 透平涡轮旋转带动转轴 22转 动， 转轴 22继而驱动压气机 26的压气叶轮转动， 压气叶轮转动使得环境空气从 压气机入口部 32被吸进压气机 26， 空气经压气机 26压缩后通过压气机出口部 34 排出至冷却空气通道 16， 然后经冷却通道入口 20进入燃烧装置 10的燃烧室冷却 结构。

[0027] 由于被压气机 26压缩的空气温度会上升， 影响对燃烧室壁面的冷却效果。 本实 施例中， 所述火炬还包括用以对压缩空气散热降温的热 交换器或散热器 36， 例 如翅片管散热器 36， 在其他实施例中也可以采用其他类型的散热器 ， 本发明不 对此限定。 翅片管散热器 36设置在冷却空气通道 16上， 以对从压气机出口部 34 排出的压缩空气进行冷却降温。 在所示的实施例中， 散热器 36同吋位于冷却空 气通道 16和燃气通道 30上， 因此冷却空气通道 16内的空气的热量被交换至燃气 通道 30内的天然气上， 从而降低自身的温度。

[0028] 油井里的高压气源蕴含着较高的压能， 为了更为充分地利用该压能， 在所示的 实施例中， 透平压气机 12外接一发电机 38， 例如高速永磁发电机 38。 具体而言 ， 压气机 26的压气叶轮上连接一传动轴 40， 发电机 38设置在传动轴 40上， 透平 2 4的转动同吋带动传动轴 40转动， 传动轴 40驱动发电机 38发电， 以为火炬运行提 供电力。 避免了资源浪费， 节能环保。 在其它实施例中， 发电机 38也可以设置 在透平 24—侧。

[0029] 在所示的实施例中， 透平压气机 12还可以包括外壳 （图未示出） ， 透平 24、 压 气机 26及转轴 22或者连同发电机 38均安装在所述机壳内构成一个模块单元， 这 样便于火炬的模块化安装， 方便维护。

[0030] 在图 1所示的实施例中， 燃烧装置 10为引射式燃烧装置 10， 该引射式燃烧装置 1 0包括沿竖直方向布置的多层防护罩， 例如 4层。 4层防护罩包括底层防护罩 42及 位于底层防护罩 42以上的 3层上层防护罩， 该 3层上层防护罩从下往上依次为第 二层防护罩 44， 第三层防护罩 46和第四层防护罩 48。 每层防护罩在周向上封闭 以形成具有上下两幵口端的燃烧室， 在竖直方向上相邻的两层防护罩中， 上一 层防护罩的径向宽度大于下一层的径向宽度， 使得在相邻两层防护罩之间形成 一与燃烧室流体相通的引射区， 以引射空气。 每层防护罩下端均设有冷却通道 入口 20， 每个冷却通道入口 20分别连通至对应的防护罩的燃烧室壁面。

[0031] 冷却空气通道 16通过若干分支与各层防护罩连接。 在图 1所示的实施例中， 冷 却空气通道 16通过 4个分支分别与四层防护罩下端的冷却通道入� � 20连通。 应当 理解的是， 本实施例中分支的设置方式仅为本发明的一种 实施方式， 在其他实 施例中， 根据实际设计需要， 也可采用其他分支设计方式。

[0032] 四层防护罩包括底层防护罩 42及位于底层防护罩 42以上的三层上层防护罩。 底 层防护罩 42底部及相邻两层防护罩之间的引射区内设有� ��干燃烧器及长明灯 （ 图 1未示出） 。 每层防护罩上均设有用以冷却对应防护罩壁面 的冷却结构。

[0033] 下面将举例对冷却结构进行详细说明。 下面的描述主要是结合鼓风式火炬来描 述， 但其冷却结构也可以应用至图 1所示的引射式燃烧装置中。

[0034] 在如图 2-4所示的实施例中， 燃烧装置 10包括底座 56、 安装在底座 56上的燃烧 室壁筒 57及用以冷却壁筒 42的冷却结构。 壁筒 57为上下两端幵口且在其内部形 成燃烧室 58， 壁筒 57底部设有若干燃烧器 60及用以点燃所述若干燃烧器 60的长 明灯 62。 燃烧装置 10的燃气入口 18与燃烧器 60连通， 以使得经透平 24减压的燃 气经燃气入口 18进入燃烧器 60燃烧。 具体而言， 所述若干燃烧器 60均匀分布在 壁筒 57底部的燃气供应管道 61上， 燃气供应管道 61具有设置于底座 56上的至少 一管道入口 18， 例如两个管道入口 18， 两个管道入口 18分别设置在底座 56的两 侧。 应当指出的是， 所述管道入口 18可以作为上述燃烧装置 10的燃气入口 18。

[0035] 如图 3和图 4所示， 冷却结构包括安装在壁筒 57外部的冷却夹套 64及设置于壁筒 57上的通气结构， 冷却夹套 64与壁筒 57的外壁之间形成冷却流道 66， 通气结构 与燃烧室 58和冷却流道 66连通， 冷却夹套 64底端设有与冷却流道 66连通的环形 管 68， 环形管 68用以为冷却流道 66供应压缩空气。

[0036] 本实施例中， 壁筒 57为单层结构。 冷却夹套 64与壁筒 57间隔设置， 冷却夹套 64 的上下缘分别与壁筒 57的上下缘密封连接， 以使得冷却夹套 64内形成的冷却流 道 66的上下两端封闭， 避免冷却空气溢出， 影响冷却效果。

[0037] 环形管 68具有一管道入口 20， 该管道入口 20用以通入冷却的压缩空气， 换句话 说， 该管道入口 20可以作为图 1的燃烧装置 10的冷却通道入口 20。 为了避免出现 壁筒壁面的冷却空气分布不均匀， 在所示的实施例中， 环形管 68上设有均匀分 布的多个连接至冷却夹套 64下端的连接支管 70， 连接支管 70与冷却流道 66连通 ， 使冷却空气能够均匀地通过冷却流道 66进入壁筒壁面。

[0038] 在所示的实施例中， 通气结构包括贯穿壁筒 57设置的若干冷却气孔 72， 冷却气 孔 72分别与燃烧室 58和冷却流道 66连通。

[0039] 为了增强对壁筒 57的冷却效果， 若干冷却气孔 72沿壁筒 42的轴向和周向均匀对 称分布， 且最底端的一圈冷却气孔 72在竖直方向上的高度与燃烧器 60的出口平 齐， 以使得冷却空气可以对壁筒 42进行全面冷却。

[0040] 本实施例中， 将冷却气孔 72设置为斜孔。 具体来说， 冷却气孔 72包括气孔入口 74、 气孔出口 76及连通气孔入口 74和气孔出口 76的气孔通道 78， 其中气孔入口 7 4设置于壁筒 57的外壁面， 气孔出口 76设置于壁筒 57的内壁面， 气孔通道 78自气 孔入口 74朝向气孔出口 76向上倾斜。 在所示的实施例中， 气孔通道 78为直通道 ， 在其他实施例中， 气孔通道 78也可以设计成其他类型， 例如弧形通道或螺旋 通道， 只要能使得从气孔出口 76出来的冷却空气具有竖直向上的分速度即可� ��

[0041] 压缩后的冷却空气经冷却空气通道 16进入冷却流道 66， 然后冷却空气顺着冷却 流道 66向上流动， 进入冷却气孔 72， 当冷却空气从气孔出口 76出来吋具有竖直 向上方向和水平方向的分速度， 竖直向上的分速度使得冷却空气向周围扩散在 壁筒 57的壁面上形成一层气膜， 水平方向的分速度使得冷却空气阻止火焰和高 温燃气流向燃烧室 58的壁筒 57， 同吋冷却空气会带走高温， 增加燃烧室 58内燃 气扰动， 进而增加和引射空气的混合， 为火焰燃烧补充二次空气， 提高燃烧质 量。 在燃烧室 58内隔绝了高温源对燃烧室壁筒 57的对流传热。 还有一部分冷却 空气在壁筒 57与冷却夹套 64之间流动， 通过对流换热带走燃烧室壁筒 57上吸收 的辐射热， 在壁筒 57外壁形成一层冷却气膜， 形成壁筒内外双重冷却气膜， 提 高对壁筒 42的冷却效果。

[0042] 图 5-7是火炬的另一实施例。 本实施例中的火炬总体结构与图 2-4的实施例类似 ， 在此不再进行详细描述。 区别在于它们的通气结构不同。

[0043] 本实施例中， 壁筒 57为分层式塔状结构。 壁筒 57包括沿竖直方向布置的多层壁 筒， 例如 6层壁筒， 在其他实施例中多层壁筒也可以设置为其他数 目。 在竖直方 向上相邻的两层壁筒中， 上一层壁筒的径向宽度大于下一层的径向宽度 ， 使得 在相邻两层壁筒之间形成一与燃烧室 58和冷却流道 66流体相通的间隙 80。

[0044] 如图 6-7所示， 通气结构包括竖直设置在间隙 80内的波浪形片状结构 82， 波浪 形片状结构 82固定， 例如焊接固定于一上层壁筒 84和一下层壁筒 86之间。 为了 使得冷却空气更好地进入通气结构， 进而隔离高温火焰、 燃气并在壁筒上形成 冷却气膜， 在所示的实施例中， 在竖直方向上， 波浪形片状结构 82的上端高于 下层壁筒 86的顶端， 波浪形片状结构 82的下端与上层壁筒 84的底端平齐。

[0045] 由于其波浪状结构， 波浪形片状结构 82在其片状结构两侧表面形成若干冷却气 道 88， 所述冷却气道 88包括第一冷却气道 90和第二冷却气道 92。 其中， 第一冷 却气道 90形成在面向上层壁筒 84的一侧表面上， 包括波浪幵口朝向上层壁筒 84 的若干冷却气道， 第二冷却气道 92形成在面向下层壁筒 86的一侧表面， 包括波 浪幵口朝向下层壁筒 86的若干冷却气道。

[0046] 冷却空气进入冷却流道 66后， 一部分进入冷却气道 88， 从第一冷却气道 90出来 的冷却空气紧贴壁筒 57壁面竖直向上流动， 在壁筒 57内壁上形成一层冷却气膜 ， 切断高温源和燃烧室壁筒的对流换热。 从第二冷却气道 92出来的冷却空气向 周围扩散， 具有竖直方向和水平方向的分速度， 该部分冷却空气可阻止高温火 焰、 燃气靠近壁筒 57的壁面， 带走高温燃气， 改变火焰方向， 避免燃烧室 58内 壁被高温燃气、 火焰灼烧腐蚀。 同吋冷却空气会增加燃烧室 58内燃气扰动， 进 而增加和空气的混合， 为燃烧补充二次空气， 提高燃烧质量。 还有一部分冷却 空气在壁筒 57与冷却夹套 64之间流动， 通过对流换热带走燃烧室壁筒 57上吸收 的辐射热， 在壁筒 57外壁形成一层冷却气膜， 形成壁筒内外双重冷却气膜， 提 高对壁筒 57的冷却效果。

[0047] 应当理解的是， 本实施例中是在间隙 80内设置波浪形片状结构 82以形成波浪冷 却气道， 在其他实施例中， 也可以在间隙 80内设置其他结构， 形成其他类型的 冷却气道， 或者直接将间隙 80作为冷却气道， 只要该冷却气道可使通过的冷却 空气能够在壁筒 57内壁面形成气膜即可。

[0048] 本发明的冷却结构用冷却空气做高温源和燃烧 室壁筒之间的屏障， 改变高温源 方向， 切断热源和壁筒壁面之间的对流换热， 带走燃烧室壁筒内外壁吸收的辐 射热。 壁筒内外都进行冷却， 且冷却均匀， 冷却效率提高， 冷却空气用量少， 还可提高燃烧质量。

[0049] 虽然图 2至图 7是以鼓风式火炬为例来介绍本发明火炬的冷� �结构， 应当理解的 是， 所示的冷却结构可以直接或稍加修改而应用于 引射式火炬中。 例如， 如图 1 ， 引射式火炬中通常设有若干层防护罩 42、 44、 46、 48， 而图 2至图 7中的燃烧 室壁筒和冷却夹套可以一起作为引射式火炬中 一层防护罩， 即每层防护罩都包 含围成燃烧室的燃烧室壁筒以及与壁筒连接的 冷却夹套， 壁筒与冷却夹套间隔 设置从而在其间形成冷却流道， 且壁筒上形成有上述通气结构。 同样， 上述通 气结构可以是贯穿壁筒的冷却气孔 72， 或者多层壁筒之间的间隙 80， 或者在间 隙中设置上述波浪形片状结构 82。 同样， 每层的冷却夹套底部设置环形管 68， 环形管 68具有冷却通道入口 20。 环形管 68上设有均匀分布的多个连接至冷却夹 套下端的连接支管， 连接支管与冷却流道连通， 使冷却空气能够均匀地通过冷 却流道到达壁筒壁面。

[0050] 综上所述， 本发明提出一种可有效利用油井或气井里需要 处理的高压气源压能 为火炬燃烧室壁面提供冷却空气的火炬。 在火炬气源入口处设置一透平压气机 ， 高压气源通过透平涡轮对涡轮做工， 压力降低的高压气源进入火炬燃烧室燃 烧。 涡轮旋转驱动同轴的压气机， 压气叶轮从大气中吸取空气压缩再经散热器 冷却后输送至火炬燃烧室壁面， 冷却燃烧室壁面。 本发明以气源压能作为动力 来源， 将高压气源通入透平降低了气源的压力， 减少了高压减压设备的投入， 同吋利用压气机及散热器为燃烧室壁面提供冷 却空气， 解决了燃烧室壁面无法 冷却的问题， 增加了燃烧室的使用寿命， 减少耐火材料、 隔热材料、 高温合金 真空夹层结构的使用， 缩小设备体积， 降低成本。 此外， 本发明还在透平压气 机外连接一发电机， 驱动该发电机发电以为火炬提供电力， 充分利用了气源蕴 含的压能， 缓解野外井场电力资源紧张的问题。

[0051] 本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情 况下可以实施成其它形式。 所公 幵的具体实施例应被视为例示性而不是限制性 的。 因此， 本发明的范围是由所 附的权利要求， 而不是根据之前的这些描述进行确定。 在权利要求的字面意义 及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要 求的范围。