本發(fā)明涉及一種火炬，特別涉及一種依靠氣源能量提供冷卻空氣的火炬。

背景技術：

現(xiàn)有的地面引射式火炬燃燒所需的空氣是依靠氣源引射所得，當燃燒室內的燃氣燃燒時，引射的空氣都參與混合燃燒了，沒有多余的空氣用來冷卻，燃燒室外壁直接暴露在高溫環(huán)境下，沒有冷卻措施。為了保證燃燒室的使用，減小對外輻射，火炬的燃燒室外壁一般都是采用耐火材料加隔熱材料，或者是采用高溫合金真空夾層等結構。但這樣勢必會造成材料投入成本高，火炬的結構體積增大，且耐火隔熱材料大多存在環(huán)保問題。而且野外井場本來就存在電力資源緊張的問題，如果另外加設冷卻設備，電力供應不足的情況則會進一步加劇。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出一種依靠氣源能量提供冷卻空氣的火炬。

一種依靠氣源能量提供冷卻空氣的火炬，包括燃燒裝置，所述燃燒裝置包括燃氣入口和冷卻通道入口；透平壓氣機，所述透平壓氣機包括轉軸以及固定在所述轉軸上的透平和壓氣機，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壓燃氣，所述壓氣機包括壓氣機入口部和壓氣機出口部，所述壓氣機入口部用以接收環(huán)境空氣；燃氣通道，所述燃氣通道連接在所述透平出口部與所述燃氣入口之間；以及冷卻空氣通道，所述冷卻空氣通道連接在所述壓氣機出口部與所述冷卻通道入口之間。

在一實施例中，所述火炬還包括熱交換器，所述熱交換器設置在所述燃氣通道和冷卻空氣通道的路徑上，用以將所述壓氣機出口部排出的壓縮空氣的熱量交換至所述透平出口部排出的膨脹燃氣上。

在一實施例中，所述熱交換器包括翅片管散熱器。

在一實施例中，所述透平壓氣機包括外殼，所述透平、壓氣機、熱交換器安裝在所述外殼內，構成一個模塊單元。

在一實施例中，所述透平壓氣機還包括發(fā)電機，所述發(fā)電機與所述透平壓氣機傳動連接。

在一實施例中，所述火炬包括沿豎直方向布置的多層防護罩，每層防護罩在周向上封閉以形成具有上下兩開口端的燃燒室，在豎直方向上相鄰的兩層防護罩中，上一層防護罩的徑向寬度大于下一層的徑向寬度，使得在相鄰兩層防護罩之間形成一與燃燒室流體相通的引射區(qū)，每層防護罩下端均設有所述冷卻通道入口；所述引射區(qū)內設有若干引射式燃燒器，每層防護罩包括形成所述燃燒室的燃燒室壁筒和設置在所述燃燒室壁筒外部的冷卻夾套，每層防護罩的所述冷卻夾套與所述燃燒室壁筒在上下緣位置均密封連接，所述冷卻夾套與所述燃燒室壁筒之間形成冷卻流道，所述燃燒室壁筒上形成與所述燃燒室和冷卻流道連通的通氣結構，所述冷卻夾套底端設有與所述冷卻流道連通的環(huán)形管，所述冷卻通道入口設置在所述環(huán)形管上。

在一實施例中，所述火炬包括形成燃燒室的燃燒室壁筒和設置在所述燃燒室壁筒外部的冷卻夾套，所述冷卻夾套與所述燃燒室壁筒之間形成冷卻流道，所述冷卻夾套與所述燃燒室壁筒在上下緣位置均密封連接，所述燃燒室壁筒上形成與所述燃燒室和冷卻流道連通的通氣結構，所述冷卻夾套底端設有與所述冷卻流道連通的環(huán)形管，所述冷卻通道入口設置在所述環(huán)形管上。

在一實施例中，所述通氣結構為貫穿所述壁筒的若干冷卻氣孔，所述冷卻氣孔分別與所述燃燒室和冷卻流道連通。

在一實施例中，所述燃燒室壁筒包括沿豎直方向布置的多層壁筒，在豎直方向上相鄰的兩層壁筒中，上一層壁筒的徑向寬度大于下一層的徑向寬度，使得在相鄰兩層壁筒之間形成一與所述燃燒室和冷卻流道流體相通的間隙。

在一實施例中，所述通氣結構包括設置在所述間隙內的波浪形片狀結構，所述波浪形片狀結構形成若干冷卻氣道，包括第一冷卻氣道和第二冷卻氣道，所述第一冷卻氣道包括波浪開口朝向上層壁筒的冷卻氣道，所述第二冷卻氣道包括波浪開口朝向下層壁筒的冷卻氣道。

綜上所述，本發(fā)明提出一種可有效利用油井或氣井里需要處理的高壓氣源壓能為火炬燃燒室壁面提供冷卻空氣的火炬。在火炬氣源入口處設置一透平壓氣機，高壓氣源通過透平渦輪對渦輪做功，壓力降低的高壓氣源進入火炬燃燒室燃燒。渦輪旋轉驅動同軸的壓氣機，壓氣葉輪從大氣中吸取空氣壓縮再經散熱器冷卻后輸送至火炬燃燒室壁面，冷卻燃燒室壁面。本發(fā)明以氣源壓能作為動力來源，將高壓氣源通入透平降低了氣源的壓力，減少了高壓減壓設備的投入，同時利用壓氣機及散熱器為燃燒室壁面提供冷卻空氣，解決了燃燒室壁面無法冷卻的問題，增加了燃燒室的使用壽命，減少耐火材料、隔熱材料、高溫合金真空夾層結構的使用，縮小設備體積，降低成本。此外，本發(fā)明還在透平壓氣機外連接一發(fā)電機，驅動該發(fā)電機發(fā)電以為火炬提供電力，充分利用了氣源蘊含的壓能，緩解野外井場電力資源緊張的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明火炬的運行流程圖。

圖2為本發(fā)明火炬一實施例的局部剖視圖。

圖3為圖2的另一角度的局部剖視圖。

圖4為圖3中圈A部分結構的放大示意圖。

圖5為本發(fā)明火炬另一實施例的局部剖視圖。

圖6為圖5的另一角度的局部剖視圖。

圖7為圖6中圈B部分結構的放大示意圖。

具體實施方式

在詳細描述實施例之前，應該理解的是，本發(fā)明不限于本申請中下文或附圖中所描述的詳細結構或元件排布。本發(fā)明可為其它方式實現(xiàn)的實施例。而且，應當理解，本文所使用的措辭及術語僅僅用作描述用途，不應作限定性解釋。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等類似措辭意為包含其后所列出之事項、其等同物及其它附加事項。特別是，當描述“一個某元件”時，本發(fā)明并不限定該元件的數(shù)量為一個，也可以包括多個。

如圖1所示，本發(fā)明提出一種強制氣膜冷卻的火炬，該火炬包括燃燒裝置10、透平壓氣機12、燃氣通道14和冷卻空氣通道16，其中燃氣通道14和冷卻空氣通道16分別連接在透平壓氣機12與燃燒裝置10之間。本實施例中，為了方便安裝，透平壓氣機12設置在燃燒裝置10的氣源入口處，在其他實施例中，根據(jù)實際安裝需要，透平壓氣機12也可以設置在燃燒裝置10的其他位置。燃燒裝置10包括燃氣入口18和連通至燃燒裝置10的燃燒室壁面的冷卻通道入口20。

透平壓氣機12包括轉軸22以及固定安裝在轉軸22上的透平24和壓氣機26。其中，透平24可以是軸流型或徑流型，壓氣機26也可以是軸流型或徑流型。本實施例中，透平24和壓氣機26均采用軸流型，并共同組成軸流透平壓氣機。

透平24包括透平入口部28和透平出口部30，透平入口部28用以通入高壓燃氣，例如來自井場的高壓天然氣。燃氣通道14連接在透平出口部30與燃燒裝置10的燃氣入口18之間，用以向燃燒裝置10提供燃燒所需要的燃氣。高壓天然氣進入透平24驅動透平渦輪旋轉，高壓天然氣膨脹后壓力降低，經透平24膨脹降壓的天然氣經透平出口部30排出進入燃氣通道14，然后經燃氣入口18進入燃燒裝置10的燃燒室進行燃燒。

壓氣機26包括壓氣機入口部32和壓氣機出口部34，冷卻空氣通道16連接在壓氣機出口部34與燃燒裝置10的冷卻通道入口20之間。透平渦輪旋轉帶動轉軸22轉動，轉軸22繼而驅動壓氣機26的壓氣葉輪轉動，壓氣葉輪轉動使得環(huán)境空氣從壓氣機入口部32被吸進壓氣機26，空氣經壓氣機26壓縮后通過壓氣機出口部34排出至冷卻空氣通道16，然后經冷卻通道入口20進入燃燒裝置10的燃燒室冷卻結構。

由于被壓氣機26壓縮的空氣溫度會上升，影響對燃燒室壁面的冷卻效果。本實施例中，所述火炬還包括用以對壓縮空氣散熱降溫的熱交換器或散熱器36，例如翅片管散熱器36，在其他實施例中也可以采用其他類型的散熱器，本發(fā)明不對此限定。翅片管散熱器36設置在冷卻空氣通道16上，以對從壓氣機出口部34排出的壓縮空氣進行冷卻降溫。在所示的實施例中，散熱器36同時位于冷卻空氣通道16和燃氣通道30上，因此冷卻空氣通道16內的空氣的熱量被交換至燃氣通道30內的天然氣上，從而降低自身的溫度。

油井里的高壓氣源蘊含著較高的壓能，為了更為充分地利用該壓能，在所示的實施例中，透平壓氣機12外接一發(fā)電機38，例如高速永磁發(fā)電機38。具體而言，壓氣機26的壓氣葉輪上連接一傳動軸40，發(fā)電機38設置在傳動軸40上，透平24的轉動同時帶動傳動軸40轉動，傳動軸40驅動發(fā)電機38發(fā)電，以為火炬運行提供電力。避免了資源浪費，節(jié)能環(huán)保。在其它實施例中，發(fā)電機38也可以設置在透平24一側。

在所示的實施例中，透平壓氣機12還可以包括外殼(圖未示出)，透平24、壓氣機26及轉軸22或者連同發(fā)電機38均安裝在所述機殼內構成一個模塊單元，這樣便于火炬的模塊化安裝，方便維護。

在圖1所示的實施例中，燃燒裝置10為引射式燃燒裝置10，該引射式燃燒裝置10包括沿豎直方向布置的多層防護罩，例如4層。4層防護罩包括底層防護罩42及位于底層防護罩42以上的3層上層防護罩，該3層上層防護罩從下往上依次為第二層防護罩44，第三層防護罩46和第四層防護罩48。每層防護罩在周向上封閉以形成具有上下兩開口端的燃燒室，在豎直方向上相鄰的兩層防護罩中，上一層防護罩的徑向寬度大于下一層的徑向寬度，使得在相鄰兩層防護罩之間形成一與燃燒室流體相通的引射區(qū)，以引射空氣。每層防護罩下端均設有冷卻通道入口20，每個冷卻通道入口20分別連通至對應的防護罩的燃燒室壁面。

冷卻空氣通道16通過若干分支與各層防護罩連接。在圖1所示的實施例中，冷卻空氣通道16通過4個分支分別與四層防護罩下端的冷卻通道入口20連通。應當理解的是，本實施例中分支的設置方式僅為本發(fā)明的一種實施方式，在其他實施例中，根據(jù)實際設計需要，也可采用其他分支設計方式。

四層防護罩包括底層防護罩42及位于底層防護罩42以上的三層上層防護罩。底層防護罩42底部及相鄰兩層防護罩之間的引射區(qū)內設有若干燃燒器及長明燈(圖1未示出)。每層防護罩上均設有用以冷卻對應防護罩壁面的冷卻結構。

下面將舉例對冷卻結構進行詳細說明。下面的描述主要是結合鼓風式火炬來描述，但其冷卻結構也可以應用至圖1所示的引射式燃燒裝置中。

在如圖2-4所示的實施例中，燃燒裝置10包括底座56、安裝在底座56上的燃燒室壁筒57及用以冷卻壁筒42的冷卻結構。壁筒57為上下兩端開口且在其內部形成燃燒室58，壁筒57底部設有若干燃燒器60及用以點燃所述若干燃燒器60的長明燈62。燃燒裝置10的燃氣入口18與燃燒器60連通，以使得經透平24減壓的燃氣經燃氣入口18進入燃燒器60燃燒。具體而言，所述若干燃燒器60均勻分布在壁筒57底部的燃氣供應管道61上，燃氣供應管道61具有設置于底座56上的至少一管道入口18，例如兩個管道入口18，兩個管道入口18分別設置在底座56的兩側。應當指出的是，所述管道入口18可以作為上述燃燒裝置10的燃氣入口18。

如圖3和圖4所示，冷卻結構包括安裝在壁筒57外部的冷卻夾套64及設置于壁筒57上的通氣結構，冷卻夾套64與壁筒57的外壁之間形成冷卻流道66，通氣結構與燃燒室58和冷卻流道66連通，冷卻夾套64底端設有與冷卻流道66連通的環(huán)形管68，環(huán)形管68用以為冷卻流道66供應壓縮空氣。

本實施例中，壁筒57為單層結構。冷卻夾套64與壁筒57間隔設置，冷卻夾套64的上下緣分別與壁筒57的上下緣密封連接，以使得冷卻夾套64內形成的冷卻流道66的上下兩端封閉，避免冷卻空氣溢出，影響冷卻效果。

環(huán)形管68具有一管道入口20，該管道入口20用以通入冷卻的壓縮空氣，換句話說，該管道入口20可以作為圖1的燃燒裝置10的冷卻通道入口20。為了避免出現(xiàn)壁筒壁面的冷卻空氣分布不均勻，在所示的實施例中，環(huán)形管68上設有均勻分布的多個連接至冷卻夾套64下端的連接支管70，連接支管70與冷卻流道66連通，使冷卻空氣能夠均勻地通過冷卻流道66進入壁筒壁面。

在所示的實施例中，通氣結構包括貫穿壁筒57設置的若干冷卻氣孔72，冷卻氣孔72分別與燃燒室58和冷卻流道66連通。

為了增強對壁筒57的冷卻效果，若干冷卻氣孔72沿壁筒42的軸向和周向均勻對稱分布，且最底端的一圈冷卻氣孔72在豎直方向上的高度與燃燒器60的出口平齊，以使得冷卻空氣可以對壁筒42進行全面冷卻。

本實施例中，將冷卻氣孔72設置為斜孔。具體來說，冷卻氣孔72包括氣孔入口74、氣孔出口76及連通氣孔入口74和氣孔出口76的氣孔通道78，其中氣孔入口74設置于壁筒57的外壁面，氣孔出口76設置于壁筒57的內壁面，氣孔通道78自氣孔入口74朝向氣孔出口76向上傾斜。在所示的實施例中，氣孔通道78為直通道，在其他實施例中，氣孔通道78也可以設計成其他類型，例如弧形通道或螺旋通道，只要能使得從氣孔出口76出來的冷卻空氣具有豎直向上的分速度即可。

壓縮后的冷卻空氣經冷卻空氣通道16進入冷卻流道66，然后冷卻空氣順著冷卻流道66向上流動，進入冷卻氣孔72，當冷卻空氣從氣孔出口76出來時具有豎直向上方向和水平方向的分速度，豎直向上的分速度使得冷卻空氣向周圍擴散在壁筒57的壁面上形成一層氣膜，水平方向的分速度使得冷卻空氣阻止火焰和高溫燃氣流向燃燒室58的壁筒57，同時冷卻空氣會帶走高溫，增加燃燒室58內燃氣擾動，進而增加和引射空氣的混合，為火焰燃燒補充二次空氣，提高燃燒質量。在燃燒室58內隔絕了高溫源對燃燒室壁筒57的對流傳熱。還有一部分冷卻空氣在壁筒57與冷卻夾套64之間流動，通過對流換熱帶走燃燒室壁筒57上吸收的輻射熱，在壁筒57外壁形成一層冷卻氣膜，形成壁筒內外雙重冷卻氣膜，提高對壁筒42的冷卻效果。

圖5-7是火炬的另一實施例。本實施例中的火炬總體結構與圖2-4的實施例類似，在此不再進行詳細描述。區(qū)別在于它們的通氣結構不同。

本實施例中，壁筒57為分層式塔狀結構。壁筒57包括沿豎直方向布置的多層壁筒，例如6層壁筒，在其他實施例中多層壁筒也可以設置為其他數(shù)目。在豎直方向上相鄰的兩層壁筒中，上一層壁筒的徑向寬度大于下一層的徑向寬度，使得在相鄰兩層壁筒之間形成一與燃燒室58和冷卻流道66流體相通的間隙80。

如圖6-7所示，通氣結構包括豎直設置在間隙80內的波浪形片狀結構82，波浪形片狀結構82固定，例如焊接固定于一上層壁筒84和一下層壁筒86之間。為了使得冷卻空氣更好地進入通氣結構，進而隔離高溫火焰、燃氣并在壁筒上形成冷卻氣膜，在所示的實施例中，在豎直方向上，波浪形片狀結構82的上端高于下層壁筒86的頂端，波浪形片狀結構82的下端與上層壁筒84的底端平齊。

由于其波浪狀結構，波浪形片狀結構82在其片狀結構兩側表面形成若干冷卻氣道88，所述冷卻氣道88包括第一冷卻氣道90和第二冷卻氣道92。其中，第一冷卻氣道90形成在面向上層壁筒84的一側表面上，包括波浪開口朝向上層壁筒84的若干冷卻氣道，第二冷卻氣道92形成在面向下層壁筒86的一側表面，包括波浪開口朝向下層壁筒86的若干冷卻氣道。

冷卻空氣進入冷卻流道66后，一部分進入冷卻氣道88，從第一冷卻氣道90出來的冷卻空氣緊貼壁筒57壁面豎直向上流動，在壁筒57內壁上形成一層冷卻氣膜，切斷高溫源和燃燒室壁筒的對流換熱。從第二冷卻氣道92出來的冷卻空氣向周圍擴散，具有豎直方向和水平方向的分速度，該部分冷卻空氣可阻止高溫火焰、燃氣靠近壁筒57的壁面，帶走高溫燃氣，改變火焰方向，避免燃燒室58內壁被高溫燃氣、火焰灼燒腐蝕。同時冷卻空氣會增加燃燒室58內燃氣擾動，進而增加和空氣的混合，為燃燒補充二次空氣，提高燃燒質量。還有一部分冷卻空氣在壁筒57與冷卻夾套64之間流動，通過對流換熱帶走燃燒室壁筒57上吸收的輻射熱，在壁筒57外壁形成一層冷卻氣膜，形成壁筒內外雙重冷卻氣膜，提高對壁筒57的冷卻效果。

應當理解的是，本實施例中是在間隙80內設置波浪形片狀結構82以形成波浪冷卻氣道，在其他實施例中，也可以在間隙80內設置其他結構，形成其他類型的冷卻氣道，或者直接將間隙80作為冷卻氣道，只要該冷卻氣道可使通過的冷卻空氣能夠在壁筒57內壁面形成氣膜即可。

本發(fā)明的冷卻結構用冷卻空氣做高溫源和燃燒室壁筒之間的屏障，改變高溫源方向，切斷熱源和壁筒壁面之間的對流換熱，帶走燃燒室壁筒內外壁吸收的輻射熱。壁筒內外都進行冷卻，且冷卻均勻，冷卻效率提高，冷卻空氣用量少，還可提高燃燒質量。

雖然圖2至圖7是以鼓風式火炬為例來介紹本發(fā)明火炬的冷卻結構，應當理解的是，所示的冷卻結構可以直接或稍加修改而應用于引射式火炬中。例如，如圖1，引射式火炬中通常設有若干層防護罩42、44、46、48，而圖2至圖7中的燃燒室壁筒和冷卻夾套可以一起作為引射式火炬中一層防護罩，即每層防護罩都包含圍成燃燒室的燃燒室壁筒以及與壁筒連接的冷卻夾套，壁筒與冷卻夾套間隔設置從而在其間形成冷卻流道，且壁筒上形成有上述通氣結構。同樣，上述通氣結構可以是貫穿壁筒的冷卻氣孔72，或者多層壁筒之間的間隙80，或者在間隙中設置上述波浪形片狀結構82。同樣，每層的冷卻夾套底部設置環(huán)形管68，環(huán)形管68具有冷卻通道入口20。環(huán)形管68上設有均勻分布的多個連接至冷卻夾套下端的連接支管，連接支管與冷卻流道連通，使冷卻空氣能夠均勻地通過冷卻流道到達壁筒壁面。

綜上所述，本發(fā)明提出一種可有效利用油井或氣井里需要處理的高壓氣源壓能為火炬燃燒室壁面提供冷卻空氣的火炬。在火炬氣源入口處設置一透平壓氣機，高壓氣源通過透平渦輪對渦輪做工，壓力降低的高壓氣源進入火炬燃燒室燃燒。渦輪旋轉驅動同軸的壓氣機，壓氣葉輪從大氣中吸取空氣壓縮再經散熱器冷卻后輸送至火炬燃燒室壁面，冷卻燃燒室壁面。本發(fā)明以氣源壓能作為動力來源，將高壓氣源通入透平降低了氣源的壓力，減少了高壓減壓設備的投入，同時利用壓氣機及散熱器為燃燒室壁面提供冷卻空氣，解決了燃燒室壁面無法冷卻的問題，增加了燃燒室的使用壽命，減少耐火材料、隔熱材料、高溫合金真空夾層結構的使用，縮小設備體積，降低成本。此外，本發(fā)明還在透平壓氣機外連接一發(fā)電機，驅動該發(fā)電機發(fā)電以為火炬提供電力，充分利用了氣源蘊含的壓能，緩解野外井場電力資源緊張的問題。

本文所描述的概念在不偏離其精神和特性的情況下可以實施成其它形式。所公開的具體實施例應被視為例示性而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍是由所附的權利要求，而不是根據(jù)之前的這些描述進行確定。在權利要求的字面意義及等同范圍內的任何改變都應屬于這些權利要求的范圍。