依靠气源能量提供冷却空气的火炬的制作方法

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：

现有的地面引射式火炬燃烧所需的空气是依靠气源引射所得，当燃烧室内的燃气燃烧时，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。

技术实现要素：

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。

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。

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。

在一实施例中，所述热交换器包括翅片管散热器。

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。

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。

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开口端的燃烧室，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。

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。

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。

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。

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开口朝向上层壁筒的冷却气道，所述第二冷却气道包括波浪开口朝向下层壁筒的冷却气道。

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，同时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。

附图说明

图1为本发明火炬的运行流程图。

图2为本发明火炬一实施例的局部剖视图。

图3为图2的另一角度的局部剖视图。

图4为图3中圈A部分结构的放大示意图。

图5为本发明火炬另一实施例的局部剖视图。

图6为图5的另一角度的局部剖视图。

图7为图6中圈B部分结构的放大示意图。

具体实施方式

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”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

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。

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。

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10的燃烧室进行燃烧。

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。

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同时位于冷却空气通道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。

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24的转动同时带动传动轴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24一侧。

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。

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10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开口端的燃烧室，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。

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口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。

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若干燃烧器及长明灯(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。

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。

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为上下两端开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。

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。

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。

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。

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。

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。

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74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。

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出来时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，同时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。

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。

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。

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。

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，包括波浪开口朝向上层壁筒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，包括波浪开口朝向下层壁筒86的若干冷却气道。

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。同时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。

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。

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。

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却结构，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。

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，同时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。

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。所公开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。