ES2919356T3 - Sistema de inyección de vapor por etapas - Google Patents

Abstract

Se proporciona un sistema de inyección de vapor escenificado para una punta de destellos que puede descargar gas residual en una zona de combustión. El sistema de inyección de vapor escenificado incluye, por ejemplo, un primer conjunto de inyección de gas y un conjunto de inyección de gas de segunda etapa. El primer conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar vapor a una velocidad de flujo alta y una alta presión en la punta de la bengala o la zona de combustión. El segundo conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar un gas (por ejemplo, vapor y/o un gas que no sea vapor) a una velocidad de flujo baja y una alta presión en la punta de la bengala o la zona de combustión. También se proporciona una punta de bengala que incluye el sistema de inyección de vapor escenificado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de inyección de vapor por etapas

Antecedentes

Las antorchas industriales para quemar y eliminar gases combustibles son bien conocidas. Dichas antorchas incluyen normalmente una o más puntas de antorcha montadas en una pila de antorchas. Las puntas de antorcha inician la combustión de los gases y liberan los productos de la combustión a la atmósfera. Las antorchas se encuentran en plantas de producción, refinado, procesamiento y similares. En muchos casos, hay más de una antorcha incluida en una sola instalación.

Por ejemplo, las antorchas industriales se utilizan para deshacerse de gas inflamable, gas residual y otros tipos de gas (denominados conjuntamente "gas residual") de los que haya que deshacerse. Por ejemplo, las antorchas industriales se utilizan para quemar de manera segura corrientes de gas inflamable que se desvían y liberan debido a la ventilación del sistema, paradas y averías de planta, y emergencias de planta (incluidos incendios y fallos de alimentación). Un sistema de antorchas que funcione correctamente puede ser un componente crítico para la prevención de la interrupción y el deterioro de la planta.

Es deseable y a menudo obligatorio que una antorcha industrial funcione de manera relativamente libre de humos. Por ejemplo, generalmente se puede conseguir una operación sin humos asegurándose de que el gas residual se mezcle con una cantidad suficiente de aire en un período de tiempo relativamente corto para oxidar suficientemente las partículas de hollín formadas en la llama. En aplicaciones donde la presión del gas es baja, puede que la potencia de la corriente de gas residual por sí sola no sea suficiente para proporcionar una operación sin humos. En esos casos, se puede usar un medio auxiliar tal como vapor y/o aire para proporcionar la fuerza motriz necesaria para arrastrar aire ambiental de alrededor del aparato de antorcha. Muchos factores, incluidos los costes y la disponibilidad de energía local, se tienen en cuenta al seleccionar un medio auxiliar de supresión de humos.

El medio auxiliar más habitual para añadir potencia a los gases de baja presión es el vapor. El vapor generalmente se inyecta a través de uno o más grupos de boquillas que están asociadas con la punta de antorcha. Además de añadir potencia y aire de arrastre, el vapor también puede diluir el gas y participar en las reacciones químicas involucradas en el proceso de combustión, ambos de los cuales ayudan con la supresión de humos. En un ejemplo de un sistema auxiliar de vapor simple, diversos inyectores de vapor se extienden desde un colector o anillo de vapor que está montado cerca de la salida de la punta de antorcha. Los inyectores de vapor dirigen chorros de vapor al interior de la zona de combustión adyacente a la punta de antorcha. Una o más válvulas (que, por ejemplo, pueden ser controladas a distancia por un operario o controladas automáticamente en función de parámetros operativos cambiantes) se utilizan para ajustar el flujo de vapor a la punta de antorcha. Los chorros de vapor aspiran aire de la atmósfera circundante al interior del gas residual descargado con altos niveles de turbulencia. Esto impide que el viento haga que la llama se baje desde la zona de combustión al interior y alrededor de la punta de antorcha. El vapor inyectado, el aire extraído y el gas residual se combinan para formar una mezcla que ayuda a que el gas residual se queme sin humo visible.

Un sistema de inyección de vapor para inyectar vapor en una corriente de gas residual conlleva válvulas de control, tuberías para administrar el vapor a la punta de antorcha, boquillas de inyección de vapor y tuberías de distribución para administrar el vapor a las boquillas de inyección de vapor. Algunas antorchas tienen múltiples líneas de vapor con múltiples conjuntos de boquillas de inyección de vapor para descargar vapor en diferentes lugares asociados con la punta de antorcha.

Pueden surgir diversos problemas con los sistemas de inyección de vapor. Por ejemplo, los sistemas de inyección de vapor utilizan la potencia del vapor para arrastrar aire y mezclar el aire con la corriente de gas residual para conseguir una combustión sin humos. A caudales nominales, por ejemplo, el vapor se descarga desde las boquillas de vapor a una velocidad del sonido (Mach=1 o mayor). A medida que la velocidad del flujo de vapor disminuye, la presión del vapor en las boquillas de vapor disminuye y, finalmente, el flujo de vapor disminuye lo suficiente como para que la velocidad de descarga de vapor sea menor que la del sonido. A medida que la velocidad del vapor disminuye, la eficiencia con la que el vapor arrastra aire y lo mezcla con la corriente de gas residual disminuye. A modo de ejemplo, una punta de antorcha a caudales nominales puede necesitar 0,136 kg (0,3 libras) de vapor por libra de gas residual para generar una combustión sin humos. En condiciones de regulación (p. ej., menor presión de inyección de vapor), la misma punta de antorcha y la misma corriente de gas residual (en términos de composición) pueden necesitar 0,544 kg (1,2 libras) o más de vapor por libra de gas residual para conseguir una combustión sin humos. Esto puede aumentar el coste operativo de la antorcha.

Adicionalmente, cuando una punta de antorcha funciona a caudales de gas residual bajos, es posible que el aire y el gas residual se mezclen dentro de la punta de antorcha. Esto se debe generalmente a que el gas residual es menos denso que el aire circundante y al viento que hace bajar aire al interior de la punta de antorcha. Cuando el aire y el gas residual se mezclan, puede producirse una combustión. Cuando la combustión se produce dentro de la punta de antorcha, los tubos internos de la punta de antorcha pueden experimentar un aumento de temperatura. Si los tubos se calientan demasiado, puede producirse la degradación y la deformación del material, lo que puede reducir la vida útil de la punta de antorcha.

Para impedir dicho deterioro a la punta de antorcha, los fabricantes recomiendan inyectar vapor continuamente dentro o alrededor de la punta de antorcha (según la naturaleza del conjunto de inyección de vapor) a un caudal mínimo, a menudo denominada velocidad de vapor mínima. La inyección continua de vapor a una velocidad de vapor mínima ayuda a mantener la temperatura de los tubos metálicos internos y otros equipos por debajo del punto en el que se produce un deterioro rápido. Por ejemplo, la velocidad de vapor mínima hace que un flujo suficiente de vapor y aire a través de los tubos internos transfiera suficiente calor desde los tubos internos para mantener las temperaturas de los tubos en rangos aceptables.

Nuevas normativas publicadas recientemente por el gobierno de Estados Unidos pueden alterar la forma en que los operarios controlan sus antorchas. En el futuro, puede que los operarios no solo deban tener en cuenta el valor calorífico del gas residual, como exigen las normativas vigentes, sino también la cantidad de vapor enviado a la antorcha. Esto puede causar problemas cuando la antorcha esté funcionando en condiciones de regulación. Por ejemplo, puede que se requiera a los operarios enriquecer el gas residual con un gas suplementario (por ejemplo, gas natural) para mantener un poder calorífico neto en la zona de combustión de 2402,76 kcal/m3 (270 btu/scf) o superior. Dependiendo al menos en parte del coste del gas suplementario, dicho requisito puede costar a los operarios desde cientos de miles de dólares hasta millones de dólares al año por antorcha.

Una forma de reducir la cantidad de gas suplementario que se puede necesitar es reducir la velocidad de vapor mínima. Sin embargo, una velocidad de vapor mínima reducida probablemente reducirá la vida útil de la antorcha, necesitando paradas de planta más frecuentes y aumentos de costes asociados. Un problema relacionado que puede producirse es el "golpe de ariete". Si no se proporciona una cantidad suficiente de vapor para mantener las líneas de vapor calientes y las líneas de vapor se enfrían, la posterior introducción de vapor en las líneas de frío puede causar golpeteos o golpes de ariete problemáticos.

También hay situaciones en las que una punta de antorcha se utiliza con múltiples descargas con un gas residual que es más ligero que el aire. Cuando el gas residual de este tipo se descarga a caudales de gas residual bajos, hay una posibilidad de que el gas residual fluya preferiblemente a través de solo unos pocos de los módulos tubulares internos. Si esto sucede, el aire puede fluir hacia abajo por los módulos tubulares internos que no reciben gas residual. Puede que el resultado sea una mezcla de combustible y aire que, en última instancia, pueda retroceder al interior de la punta y hacer que una llama se estabilice dentro de la punta de antorcha. Un flujo de vapor a una velocidad de vapor mínima puede proporcionar suficiente potencia para limitar la cantidad de aire que puede fluir al interior de la punta de antorcha y abordar este problema.

El documento US 4087235 A menciona un aparato para incinerar un gas residual que comprende un cuerpo principal de horno de combustión que tiene una pared periférica y una chimenea y una pluralidad de quemadores de antorcha dispuestos sobre la chimenea. Cada uno de los quemadores de antorcha incluye un cuerpo principal del quemador que tiene una pared periférica y una pared inferior, una tubería principal de gas residual proporcionada debajo del cuerpo principal del quemador, extendiéndose las tuberías derivadas de agua y gas hacia arriba desde la tubería principal de gas residual y teniendo cada una un paso en zigzag vertical en una parte intermedia de la misma, boquillas de gas montadas en los extremos superiores de las tuberías derivadas de gas residual respectivamente y colocadas dentro de la pared periférica del cuerpo principal del quemador, extendiéndose una tubería principal de vapor a través de la tubería principal de gas residual y proyectándose hacia arriba a través de la pared inferior del cuerpo principal del quemador, extendiéndose las tuberías derivadas de vapor hacia arriba desde la tubería principal de vapor, y boquillas de vapor montadas sobre los extremos superiores de las tuberías derivadas de vapor respectivamente y colocadas cerca de las boquillas de gas.

El documento US 4652232 A menciona una antorcha para quemar gas residual a baja presión en donde se imparte energía cinética al gas en un dispositivo que tiene un conducto central para el gas residual a baja presión y una pluralidad de brazos radiales que rodean el conducto central al que se suministran fluidos a alta presión en un ángulo ascendente pronunciado para impartir turbulencia de tiempo y temperatura para crear una antorcha 'de pie' que se quema sustancialmente sin que le afecte el viento.

Compendio

Si bien la invención se define en las reivindicaciones independientes, otros aspectos de la invención se exponen en las reivindicaciones dependientes, los dibujos y la siguiente descripción.

Mediante esta invención, se proporciona un método para hacer funcionar un sistema de inyección de vapor por etapas para una punta de antorcha que puede descargar gas residual al interior de una zona de combustión.

En una realización, el método de funcionamiento del sistema de inyección de vapor por etapas proporcionado por esta invención es para una punta de antorcha que puede descargar gas residual al interior de una zona de combustión e incluye un miembro tubular interior dispuesto dentro de un miembro tubular exterior. En esta realización, el sistema de inyección de vapor por etapas comprende un primer conjunto de inyección de gas y un segundo conjunto de inyección de gas. El primer conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar vapor a una velocidad de flujo alta de al menos 0,252 kg/s (2000 Ib/h) y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha, e incluye una primera fuente de gas por etapas y una primera boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la primera fuente de gas por etapas. La primera fuente de gas por etapas es una fuente de vapor. El segundo conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar un gas a una velocidad de flujo baja de la mitad o menos de la velocidad de flujo alta y una presión alta de al menos 344,738 kPa (50 psig) en el interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha, e incluye una segunda fuente de gas por etapas y una segunda boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la segunda fuente de gas por etapas. El primer conjunto de inyección de gas y el segundo conjunto de inyección de gas están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que tanto el primer conjunto de inyección de gas como el segundo conjunto de inyección de gas inyectan gas al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha.

En otra realización utilizada para explicar la presente invención, pero no cubierta por la misma, el sistema de inyección de vapor por etapas proporcionado por esta descripción es para una punta de antorcha que puede descargar gas residual al interior de una zona de combustión. En esta realización, el sistema de inyección de vapor por etapas comprende un primer conjunto de inyección de gas y un segundo conjunto de inyección de gas. El primer conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar vapor a una velocidad de flujo alta y una presión alta en la zona de combustión, e incluye una primera fuente de gas por etapas y una primera boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la primera fuente de gas por etapas. La primera fuente de gas por etapas es una fuente de vapor. El segundo conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar un gas a una velocidad de flujo baja y una presión alta en la zona de combustión, e incluye una segunda fuente de gas por etapas y una segunda boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la segunda fuente de gas por etapas. El primer conjunto de inyección de gas y el segundo conjunto de inyección de gas están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que tanto el primer conjunto de inyección de gas como el segundo conjunto de inyección de gas inyectan gas al interior de la zona de combustión.

En una realización utilizada para explicar la presente invención, pero no cubierta por la misma, la punta de antorcha proporcionada por esta divulgación puede descargar gas residual al interior de una zona de combustión e incluye un miembro tubular interior dispuesto dentro de un miembro tubular exterior y un sistema de inyección de vapor por etapas. En esta realización de la punta de antorcha, el sistema de inyección de vapor por etapas comprende un primer conjunto de inyección de gas y un segundo conjunto de inyección de gas. El primer conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar vapor a una alta velocidad de flujo y una alta presión en el miembro tubular interior de la punta de antorcha, e incluye una primera fuente de gas por etapas y una primera boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la primera fuente de gas por etapas. La primera fuente de gas por etapas es una fuente de vapor. El segundo conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar un gas a una velocidad de flujo baja y una presión alta en el miembro tubular interior de la punta de antorcha, e incluye una segunda fuente de gas por etapas y una segunda boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la segunda fuente de gas por etapas. El primer conjunto de inyección de gas y el segundo conjunto de inyección de gas están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que tanto el primer conjunto de inyección de gas como el segundo conjunto de inyección de gas inyectan gas al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha.

En otra realización, el método de funcionamiento de una punta de antorcha proporcionada por esta invención puede descargar gas residual dentro de una zona de combustión e incluye un sistema de inyección de vapor por etapas. En esta realización, el sistema de inyección de vapor por etapas comprende un primer conjunto de inyección de gas y un segundo conjunto de inyección de gas. El primer conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar vapor a una velocidad de flujo alta de al menos 0,252 kg/s (2000 lb/h) y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior de la zona de combustión, e incluye una primera fuente de gas por etapas y una primera boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la primera fuente de gas por etapas. La primera fuente de gas por etapas es una fuente de vapor. El segundo conjunto de inyección de gas está configurado para inyectar un gas a una velocidad de flujo baja de la mitad o menos de la velocidad de flujo alta y una presión alta de al menos 344,738 kPa (50 psig) en el interior de la zona de combustión, e incluye una segunda fuente de gas por etapas y una segunda boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a la segunda fuente de gas por etapas. El primer conjunto de inyección de gas y el segundo conjunto de inyección de gas están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que tanto el primer conjunto de inyección de gas como el segundo conjunto de inyección de gas inyectan gas al interior de la zona de combustión.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos incluidos en esta solicitud ilustran determinados aspectos de las realizaciones descritas en el presente documento. Sin embargo, los dibujos no deben considerarse realizaciones exclusivas. La materia objeto descrita está abierta a importantes modificaciones, alteraciones, combinaciones y equivalentes en forma y función, como se les ocurrirá a los expertos en la técnica con el beneficio de esta invención.

La FIG. 1A es una vista en sección de una realización del sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento.

La FIG. 1B es una vista en sección de otra realización del sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento.

La FIG. 2A es una vista en sección que muestra el sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 1A en una configuración de antorcha diferente.

La FIG. 2B es una vista en sección que muestra el sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 1B en una configuración de antorcha diferente.

La FIG. 3A es una vista en sección de una realización adicional del sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 1 A.

La FIG. 3B es una vista en sección de una realización adicional del sistema de inyección de vapor mostrado en la FIG.

1B.

La FIG.4A es una vista en sección de una realización adicional del sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 1 A.

La FIG.4B es una vista en sección de una realización adicional del sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 1B.

La FIG. 5 es una vista lateral de una realización del sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento.

La FIG. 6 es una vista superior de la realización del sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 5. La FIG. 7 es una vista lateral de una realización de una boquilla de inyección de vapor descrita en el presente documento.

La FIG. 8 es una vista superior de la boquilla de inyección de vapor mostrada en la FIG. 7.

La FIG. 9 es una vista en sección de una realización de un sistema de inyección de vapor de tres etapas descrito en el presente documento.

La FIG. 10 es una vista lateral de otra realización de un sistema de inyección de vapor de tres etapas descrito en el presente documento.

La FIG. 11 es una vista superior del conjunto de inyección de vapor ilustrado en la FIG. 10.

La FIG. 12 es una vista en sección que ilustra el conjunto de inyección de vapor por etapas mostrado en las FIGS.10 y 11 dirigido a un miembro tubular interior de una única punta de antorcha.

La FIG. 13 es un gráfico que compara una gráfica de la relación vapor/hidrocarburo normalizada (kg/kg) (lb/lb) con la velocidad de combustible de antorcha normalizada (kg/h) (lb/h) correspondiente a una velocidad de flujo alta, la boquilla de vapor a alta presión con una gráfica de la relación vapor/hidrocarburo normalizada (kg/kg) (lb/lb) con la velocidad de combustible de antorcha normalizada (kg/h) (lb/h) correspondiente a una velocidad de flujo baja, la boquilla de vapor a alta presión, con 1 libra = 0,453 kg.

Descripción detallada

La presente invención puede entenderse más fácilmente por referencia a esta descripción detallada. Por motivos de simplicidad y claridad de la ilustración, cuando corresponda, los números de referencia pueden repetirse entre las diferentes figuras para indicar elementos correspondientes o análogos. Además, se exponen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión exhaustiva de las diversas realizaciones descritas en el presente documento. Sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que las realizaciones descritas en el presente documento se pueden practicar sin estos detalles específicos. En otros casos, los métodos, procedimientos y componentes no se han descrito en detalle para no complicar la característica relevante relacionada que se esté describiendo. Asimismo, no hay que considerar que la descripción limita el alcance de las realizaciones descritas en el presente documento. Los dibujos no están necesariamente a escala y las proporciones de determinadas piezas se han exagerado para ilustrar mejor los detalles y las características de la presente invención.

Mediante esta invención, se proporcionan métodos de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas y una punta de antorcha que incluye el sistema de inyección de vapor por etapas.

Se ha descubierto que los problemas anteriores se pueden abordar proporcionando un sistema de inyección de vapor por etapas que tenga la capacidad de descargar vapor o vapor y un gas alternativo al aparato de antorcha en diversas etapas (es decir, a diversos caudales y presiones). Por ejemplo, el sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento puede ser un sistema de dos etapas que incluye dos boquillas de inyección de gas, una para inyectar vapor dentro de la punta de antorcha a una alta velocidad de flujo y alta presión (por ejemplo, como en un sistema de inyección de vapor convencional tradicional), y una para inyectar vapor y/o un gas alternativo dentro de la punta de antorcha en el mismo lugar a una baja velocidad de flujo y alta presión. A modo de otro ejemplo, el sistema de inyección de vapor por etapas puede ser un sistema de tres etapas que incluye tres boquillas de inyección de vapor, una para inyectar vapor dentro de la punta de antorcha a una alta velocidad de flujo y una alta presión (por ejemplo, como en un sistema de inyección de vapor convencional tradicional), una para inyectar vapor y/o un gas alternativo en la punta de antorcha en el mismo lugar a una velocidad de flujo más baja y una alta presión, y una para inyectar vapor y/o un gas alternativo dentro de la punta de antorcha en el mismo lugar a una velocidad de flujo aún menor y a una alta presión. El número de etapas que se pueden utilizar no es limitado. Por ejemplo, cuatro o cinco boquillas de inyección de gas, teniendo cada una la capacidad de descargar vapor y/o un gas alternativo al aparato de antorcha a una velocidad de flujo y presión diferentes, también se pueden utilizar. El número de etapas que deben usarse en una aplicación determinada depende, por ejemplo, del tipo de aparato de antorcha, la ubicación del sistema de inyección de vapor por etapas con respecto a la punta de antorcha y otros factores conocidos por los expertos en la técnica con el beneficio de esta descripción.

El sistema de inyección de vapor por etapas de la presente descripción permite que una antorcha asistida por vapor funcione con menos vapor y/u otros gases auxiliares a caudales de gas residual reducidos. Por ejemplo, el sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento proporciona la potencia necesaria para arrastrar y mezclar aire con el gas residual de manera eficiente en condiciones de regulación. Dicho sistema proporciona la capacidad de mantener temperaturas a niveles aceptables dentro de las líneas de vapor. El sistema utiliza menos vapor en condiciones de regulación sin que afecte a la vida útil de la punta de antorcha.

Como se emplea en el presente documento y en las reivindicaciones adjuntas, "gas residual" significa gas residual, gas inflamable, gas de planta y cualquier otro tipo de gas que pueda desechar una antorcha industrial. Un gas alternativo significa un gas que no sea vapor. Ejemplos de gases alternativos que se pueden usar incluyen aire, nitrógeno, gas de planta, gas natural y mezclas de los mismos. Como se ha descrito anteriormente, el sistema de inyección de vapor por etapas puede descargar un gas alternativo a través de una o más de las boquillas de inyección de gas que inyectan gas dentro de la punta de la antorcha a un caudal relativamente bajo (en comparación con el caudal relativamente alto asociado con, por ejemplo, un sistema de inyección de vapor convencional tradicional). Que se utilice un gas alternativo y el gas (o gases) alternativo/s específico/s dependerá, por ejemplo, en el perfil y las propiedades de llama deseados. Cuando se utilice el mismo tipo de gas en conexión con más de una boquilla de inyección de gas, las fuentes de gas correspondientes pueden ser las mismas. Por ejemplo, en un sistema de dos etapas en el que cada etapa solo utiliza vapor, la primera fuente de gas por etapas y la segunda fuente de gas por etapas pueden ser la misma fuente de gas, en concreto, una fuente de vapor.

Refiriéndonos ahora a los dibujos, se describirá el sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento, designado generalmente mediante la referencia numérica 40. Por ejemplo, las FIGS. 1A, 2A, 3A y 4A muestran una realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 que incluye dos conjuntos de inyección de gas distintos, usados junto con cuatro configuraciones diferentes de puntas de antorcha. Las FIGS. 1B, 2B, 3B y 4B muestran una realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 que incluye dos conjuntos de inyección de gas distintos que se combinan en parte en una sola unidad, usados junto con las mismas cuatro configuraciones diferentes de punta de antorcha mostradas en las FIGS. 1 A, 2A y 4A. Las FIGS. 5 y 6 ilustran el conjunto de inyección de vapor de dos etapas mostrado en las FIGS. 1B, 2B, 3B y 4B con más detalle. Las FIGS. 7 y 8 ilustran otra realización de un conjunto de inyección de vapor de dos etapas que se puede usar en el presente documento. La FIG. 9 muestra una realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 que incluye tres conjuntos de inyección de gas distintos, usados junto con la configuración de punta de antorcha mostrada en las FIGS. 1A y 1B. Las FIGS. 10 y 11 ilustran una realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 en el que tres conjuntos de inyección de gas distintos se combinan en parte en una sola unidad. La FIG. 12 muestra el conjunto de inyección de vapor de tres etapas ilustrado en las FIGS. 10 y 11, usados junto con la configuración de punta de antorcha mostrada en las FIGS.

1A y 1B. La FIG. 13 ilustra los resultados alcanzados al probar el sistema de inyección de vapor por etapas descrito en el presente documento.

Como se emplea en el presente documento y en las reivindicaciones adjuntas, inyección de vapor a un "caudal alto y alta presión" significa que, por boquilla, el vapor se inyecta desde las boquillas de inyección de gas correspondientes a un caudal (capacidad de flujo) de al menos 0,252 kg/s (2000 lb/h) y a una presión de al menos 344,738 kPa (50 psig).

Como se emplea en el presente documento y en las reivindicaciones adjuntas, inyección de vapor y/o un gas alternativo a un "caudal bajo y alta presión" significa que, por boquilla, el vapor y/o gas alternativo se inyecta desde las boquillas de inyección de gas correspondientes a un caudal (capacidad de flujo) de la mitad o menos del caudal (capacidad de flujo) al que se inyecta el vapor y/u otro gas desde la boquillas de inyección de gas correspondientes usadas en la siguiente etapa más grande, y a una presión de al menos 344,738 kPa (50 psig).

Por ejemplo, en un sistema de dos etapas, la inyección de vapor y/o un gas alternativo a un "caudal bajo y alta presión" en la segunda etapa significa que, por boquilla, el vapor y/o el gas alternativo se inyecta desde las boquillas de inyección de gas correspondientes a un caudal (capacidad de flujo) de la mitad o menos del caudal (capacidad de flujo) de la boquilla de alto flujo/alta presión correspondiente, y a una presión de al menos 344,738 kPa (50 psig). Por ejemplo, en un sistema de tres etapas, la inyección de vapor y/o un gas alternativo a un "caudal bajo y alta presión" en la tercera etapa significa que, por boquilla, el vapor y/o el gas alternativo se inyecta desde las boquillas de inyección de vapor correspondientes a un caudal (capacidad de flujo) de la mitad o menos del caudal (capacidad de flujo) de la boquilla usado en la segunda etapa, y a una presión de al menos 344,738 kPa (50 psig).

Por ejemplo, la disminución del caudal (capacidad de flujo) de la boquilla en la segunda etapa y las etapas posteriores (si se utilizan) a la mitad o menos del caudal (capacidad de flujo) de la boquilla utilizado en la siguiente etapa más grande se puede conseguir mediante el uso de boquillas que contengan cada una uno o más puertos de descarga con un área de descarga total de la mitad o menos del área de descarga total del puerto o los puertos de descarga de cada boquilla utilizada en la siguiente etapa más grande.

Las presiones a las que se inyecta el vapor y/u otro gas desde las boquillas de inyección de gas utilizadas en las diversas etapas también pueden variar de una etapa a otra. Por ejemplo, las presiones utilizadas pueden variar de 34,473 kPa a 2068,43 kPa (5 psig a 300 psig), incluyendo 413,685; 620,528; 689,476; 827,371; 1034,21; 1241,06; 1447,9; 1654,74 y 1861,58 kPa (60, 90, 100, 120, 150, 180, 210, 240 y 270 psig). Los rangos de presión adecuados pueden incluir de 34,473 kPa a 1378,95 kPa, 34,473 kPa a 689,476 kPa, 137,895 kPa a 2068,43 kPa, 137,895 kPa a 1378,95 kPa, 137,895 kPa a 689,476 kPa, 275,79 kPa a 2068,43 kPa, 275,79 kPa a 1378,95 kPa, 275,79 kPa a 689,476 kPa, 413,685 kPa a 2068,43 kPa, 413,685 kPa a 1378,95 kPa y 413,685 kPa a 689,476 kPa (5 psig a 200 psig, 5 psig a 100 psig, 20 psig a 300 psig, 20 psig a 200 psig, 20 psig a 100 psig, 40 psig a 300 psig, 40 psig a 200 psig, 40 psig a 100 psig, 60 psig a 300 psig, 60 psig a 200 psig, y 60 psig a 100 psig).

Los conjuntos de inyección de gas y las boquillas correspondientes pueden utilizar el vapor disponible en la planta de producción, refinado o procesamiento donde está instalado el conjunto de antorcha.

El sistema de inyección de vapor por etapas 40 se usa en conexión con un conjunto de antorcha (no mostrado en su totalidad). El conjunto de antorcha incluye un elevador de antorcha (no mostrado) para conducir una corriente de gas residual a una punta de antorcha 10. La punta de antorcha 10 está unida al elevador de antorcha y configurada para descargar una corriente de gas residual en el interior de una zona de combustión 70 en la atmósfera adyacente a la punta de antorcha.

Por ejemplo, en la configuración mostrada en las FIGS. 1A, 1B, 9 y 12, la punta de antorcha 10 incluye un miembro tubular exterior 12, un miembro tubular interior 14 y una zona de premezcla 16. El miembro tubular exterior 12 incluye una entrada 18, una salida 20 y un paso de gas 22. El miembro tubular interior 14 incluye una entrada 24, una salida 26 y un paso de gas 28. El miembro tubular interior 14 está dispuesto coaxialmente en el miembro tubular exterior 12. Por ejemplo, el gas residual se conduce a través de la entrada 18 del miembro tubular exterior 12 al interior del paso de gas 22, al interior de la zona de premezcla 16 y a través de la salida 20 del miembro tubular exterior hacia el interior de la zona de combustión 70. La zona de premezcla 16 se encuentra entre la salida 26 del miembro tubular interior 14 y la salida 20 del miembro tubular exterior 12. En la zona de premezcla 16, el vapor y/o un gas alternativo descargado a través de la salida 26 del miembro tubular interior 14 se mezclan con gas residual y se descargan a través de la salida 20 del miembro tubular exterior 12 al interior de la zona de combustión 70 con los mismos. La descarga de la mezcla de gas residual desde la zona de premezcla 16 al interior de la zona de combustión 70 arrastra aire adicional al interior del gas residual. Como entienden los expertos en la técnica con el beneficio de esta descripción, también se puede asociar un conjunto piloto (no mostrado) con la punta de antorcha 10 para encender la mezcla de aire/gas residual en la zona de combustión 70.

Por ejemplo, en la configuración mostrada en las FIGS. 2A y 2B, la punta de antorcha 10 incluye un miembro tubular exterior 12, dos miembros tubulares interiores 14 y una zona de premezcla 16. El miembro tubular exterior 12 incluye una entrada (no mostrada), una salida 20 y un paso de gas 22. Cada uno de los miembros tubulares interiores 14 incluye una entrada 24, una salida 26 y un paso de gas 28. Los miembros tubulares interiores 14 están dispuestos en el miembro tubular exterior 12. Por ejemplo, aunque las FIGS. 2A y 2B muestran dos miembros tubulares interiores 14, más de 2 (por ejemplo, 4 o 6) miembros tubulares interiores 14 se pueden colocar en el miembro tubular exterior 12. Por ejemplo, el gas residual se conduce a través de la entrada del miembro tubular exterior 12 (no mostrado) al interior del paso de gas 22, al interior de la zona de premezcla 16 y a través de la salida 20 del miembro tubular exterior hacia el interior de la zona de combustión 70. La zona de premezcla 16 se encuentra entre las salidas 26 de los miembros tubulares interiores 14 y la salida 20 del miembro tubular exterior 12. En la zona de premezcla 16, el vapor y/o un gas alternativo descargado a través de las salidas 26 de los miembros tubulares interiores 14 se mezclan con gas residual y se descargan a través de la salida 20 del miembro tubular exterior 12 al interior de la zona de combustión 70 con los mismos. La descarga de la mezcla de gas residual desde la zona de premezcla 16 al interior de la zona de combustión 70 arrastra aire adicional al interior del gas residual. Como entienden los expertos en la técnica con el beneficio de esta descripción, también se puede asociar un conjunto piloto (no mostrado) con la punta de antorcha 10 para encender la mezcla de aire/gas residual en la zona de combustión 70.

Por ejemplo, en la configuración mostrada en las FIGS. 3A y 3B, la punta de antorcha 10 incluye un miembro tubular exterior 12 y dos miembros tubulares interiores 14. El miembro tubular exterior 12 incluye una entrada (no mostrada), una salida 20 y un paso de gas 22. Cada uno de los miembros tubulares interiores 14 incluye entradas (no mostradas), una salida 26 y un paso de gas 28. Los miembros tubulares interiores 14 están dispuestos en el miembro tubular exterior 12. Por ejemplo, aunque en las FIGS. 3A y 3B se muestran dos miembros tubulares interiores 14, más de 2 (por ejemplo, 4 o 6) miembros tubulares interiores 14 se pueden colocar en el miembro tubular exterior 12. Por ejemplo, el gas residual se conduce a través de la entrada del miembro tubular exterior 12 al interior del paso de gas 22, y a través de la salida 20 del miembro tubular exterior al interior de la zona de combustión 70. El vapor se conduce a través de los miembros tubulares interiores 14, a través de las salidas 26 del mismo y al interior de la zona de combustión 70. La descarga de la mezcla de gas residual y vapor al interior de la zona de combustión 70 arrastra aire adicional al interior del gas residual. Como entienden los expertos en la técnica con el beneficio de esta descripción, también se puede asociar un conjunto piloto (no mostrado) con la punta de antorcha 10 para encender la mezcla de aire/gas residual en la zona de combustión 70.

Por ejemplo, en la configuración mostrada en las FIGS. 4A y 4B, la punta de antorcha 10 incluye dos miembros tubulares exteriores 12, dos miembros tubulares interiores 14 y dos zonas de premezcla 16. Cada uno de los miembros tubulares exteriores 12 incluye una entrada 18, una salida 20 y un paso de gas 22. Cada uno de los miembros tubulares interiores 14 incluye una entrada 24, una salida 26 y un paso de gas 28. Los miembros tubulares interiores 14 están dispuestos en el miembro tubular exterior 12. Un colector de gas residual 30 que tiene una entrada 32, una salida 34 y un paso de gas 36 rodea los miembros tubulares exteriores 12. Por ejemplo, el gas residual se conduce a través de la entrada 32 al interior del paso de gas 36 del colector de gas residual 30, a través de la salida 34 del colector de gas residual al interior de las entradas 18 de los miembros tubulares exteriores 12, al interior de los conductos de gas 22, al interior de las zonas de premezcla 16 y a través de las salidas 20 del miembro tubular exterior al interior de la(s) zona(s) de combustión 70 (en esta configuración de punta de antorcha, se pueden crear dos zonas de combustión distintas). Las zonas de premezcla 16 se encuentran entre las salidas 26 de los miembros tubulares interiores 14 y las salidas 20 de los miembros tubulares exteriores 12. En las zonas de premezcla 16, el vapor y/o un gas alternativo descargado a través de las salidas 26 de los miembros tubulares interiores 14 se mezclan con gas residual y se descargan a través de las salidas 20 de los miembros tubulares exteriores 12 al interior de la(s) zona(s) de combustión 70 con los mismos. La descarga de la mezcla de gas residual desde las zonas de premezcla 16 al interior de la(s) zona(s) de combustión 70 arrastra aire adicional al interior del gas residual. Como entienden los expertos en la técnica con el beneficio de esta descripción, también se pueden asociar uno o más conjuntos piloto (no mostrados) con la punta de antorcha 10 para encender la mezcla de aire/gas residual en la(s) zona(s) de combustión 70.

Haciendo referencia ahora específicamente a las FIGS. 1 A, 2A, 3A y 4A, se describirá con más detalle una realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 descrito en el presente documento. En las FIGS. 2A, 3A y 4A, se utilizan dos sistemas de inyección de vapor por etapas 40 (cada uno de esta realización). En esta realización, el sistema de inyección de vapor por etapas 40 incluye un primer conjunto de inyección de gas 50 y un segundo conjunto de inyección de gas 60 que están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que ambos conjuntos de inyección de gas inyectan vapor (y/o un gas alternativo en el caso del conjunto 60) al interior de la punta de antorcha 10 (como se muestra en las FIGS. 1a , 2A y 4A) o zona de combustión 70 (como se muestra en la FIG. 3A). Como se emplea en el presente documento y en las reivindicaciones adjuntas, la afirmación de que el primer conjunto de inyección de gas 50 y el segundo conjunto de inyección de gas 60 están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que ambos conjuntos de inyección de gas inyectan vapor (y/o un gas alternativo en el caso del conjunto 60) al interior de la punta de antorcha 10 o zona de combustión 70 significa que al menos parte de cada conjunto de inyección de gas (por ejemplo, las boquillas de inyección de gas) están próximas entre sí y orientadas en la misma dirección de manera que ambos conjuntos de inyección de gas inyectan vapor (y/o un gas alternativo en el caso del conjunto 60) al interior de la punta de antorcha 10 o zona de combustión 70. Por ejemplo, las fuentes de gas de los conjuntos no están necesariamente orientadas en la misma dirección.

El primer conjunto de inyección de gas 50 está configurado para inyectar vapor a una alta velocidad de flujo y alta presión al interior de la punta de antorcha 10 (como se muestra en las FIGS. 1A, 2A y 4A) o zona de combustión 70 (como se muestra en la FIG. 3A). El primer conjunto de inyección de vapor 50 incluye una primera fuente de gas por etapas 52 y una boquilla de inyección de gas 54 conectadas de manera fluida a la primera fuente de gas por etapas. La primera fuente de gas por etapas 52 es una fuente de vapor y proporciona vapor a la boquilla de inyección de gas 54.

El segundo conjunto de inyección de gas 60 está configurado para inyectar un gas (vapor y/o un gas alternativo) a un caudal bajo y una presión alta al interior de la punta de antorcha 10 (como se muestra en las FIGS. 1A, 2A y 4A) o zona de combustión 70 (como se muestra en la FIG. 3A). El segundo conjunto de inyección de gas 60 incluye una segunda fuente de gas por etapas 62 y una segunda boquilla de inyección de gas 64 conectada de manera fluida a la segunda fuente de gas por etapas. La segunda fuente de gas por etapas 62 proporciona vapor y/o un gas alternativo a la segunda boquilla de inyección de gas 64. La segunda boquilla de inyección de gas 64 incluye al menos un puerto de descarga que tiene un área de descarga total de no más de la mitad del área de descarga total correspondiente del/de los puerto(s) de descarga de la boquilla de inyección de gas 54 a caudal alto y alta presión. Esto permite que el segundo conjunto de inyección de gas 60 inyecte gas a un caudal bajo y alta presión.

Como se muestra en las FIGS. 1A, 2A y 4A, el primer conjunto de inyección de gas 50 está configurado para inyectar vapor a un caudal alto y una alta presión al interior del/de los miembro(s) tubular(es) interior(es) 14 de la punta de antorcha 10. El segundo conjunto de inyección de gas 60 está configurado para inyectar vapor y/o un gas alternativo, a un caudal bajo y una presión alta al interior del/de los miembro(s) tubular(es) interior(es) 14 de la punta de antorcha 10. La inyección de vapor por parte del primer conjunto de inyección de gas 50 y vapor y/o un gas alternativo por parte del segundo conjunto de inyección de gas 60 al interior del/de los miembro(s) tubular(es) interior(es) 14 aspira aire del entorno circundante al interior de la(s) zona(s) de premezcla 16 de la punta de antorcha 10 y al interior del gas residual conducido por el/los paso(s) de gas 22 a la(s) zona(s) de premezcla.

Como se muestra en la FIG. 3A, el primer conjunto de inyección de gas 50 está configurado para inyectar vapor a un alto caudal y alta presión al interior de la zona de combustión 70. El segundo conjunto de inyección de gas 60 está configurado para inyectar vapor y/o un gas alternativo, a un bajo caudal y una alta presión al interior de la zona de combustión 70. La inyección de vapor por parte del primer conjunto de inyección de gas 50 y vapor y/o un gas alternativo por parte del segundo conjunto de inyección de gas 60 al interior de la zona de combustión 70 aspira aire del entorno circundante que se mezcla con el gas residual.

Haciendo referencia ahora a las FIGS. 1B, 2B, 3B, 4B, 5 y 6, se describirá otra realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 descrito en el presente documento. En las FIGS. 2B, 3B y 4B, se utilizan dos sistemas de inyección de vapor por etapas 40 (cada uno de esta realización).

La realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 mostrado en las FIGS. 1B, 2B, 3B, 4B, 5 y 6 es igual en todos los aspectos que la realización de la inyección de vapor por etapas 40 mostrada en las FIGS. 1A, 2A, 3A y 4A, excepto que el primer conjunto de inyección de gas 50 y el segundo conjunto de inyección de gas 60 se combinan, en parte, para formar una sola unidad. La combinación parcial de los conjuntos de inyección de gas en una sola unidad mejora la distribución de vapor por parte del sistema 40. Por ejemplo, la(s) boquilla(s) de inyección de gas 54 y la(s) boquilla(s) de inyección de gas 64 se combinan juntas en una sola unidad. El primer conjunto de inyección de gas 50 y el segundo conjunto de inyección de gas 60 todavía están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que ambos conjuntos de inyección de gas inyectan vapor (y/o un gas alternativo en el caso del conjunto 60) al interior de la punta de antorcha 10 (como se muestra en las FIGS. 1B, 2B y 4B) o zona de combustión 70 (como se muestra en la FIG. 3B). El primer conjunto de inyección de gas 50 todavía está configurado para inyectar vapor a un caudal alto y alta presión al interior de la punta de antorcha 10 (como se muestra en las FIGS. 1B, 2B y 4B) o zona de combustión 70 (como se muestra en la FIG. 3B). El segundo conjunto de inyección de gas 60 todavía está configurado para inyectar un gas (vapor y/o un gas alternativo) a un caudal bajo y una presión alta al interior de la punta de antorcha 10 (como se muestra en las FIGS. 1B, 2B y 4B) o zona de combustión 70 (como se muestra en la FIG. 3B). La(s) segunda(s) boquilla(s) de inyección de gas 64 incluye(n) al menos un puerto de descarga que tiene un área de descarga total de no más de la mitad del área de descarga total correspondiente del/de los puerto(s) de descarga de la boquilla de inyección de gas 54 a caudal alto y alta presión.

Como se muestra mejor en la FIG. 6, la segunda boquilla de inyección de gas 64 incluye una pluralidad de puertos de descarga 64a, 64b, 64c, 64d, 64e y 64f. La boquilla de inyección de gas 64 puede incluir más de 6 o menos de 6 puertos de descarga, según se desee. Por ejemplo, se pueden utilizar de 6 a 24 puertos de descarga. Al igual que con las otras realizaciones del sistema de inyección de vapor por etapas 40, la descarga de vapor (y un gas alternativo si se usa un gas alternativo) aspira aire de la atmósfera circundante que se mezcla con el gas residual y ayuda a favorecer una combustión sin humos.

Haciendo referencia ahora a las FIGS. 7 y 8, se describirá otra realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40. Esta realización es igual en todos los aspectos que la realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 mostrado en las FIGS. 1B, 2B, 3B y 4B, excepto para la configuración de la segunda boquilla de inyección de gas 64. En esta realización, como se muestra en las FIGS. 7 y 8, el área de descarga de la segunda boquilla de inyección de gas 64 se coloca por encima del eje central vertical de la primera boquilla de inyección de gas 54. De manera alternativa, el área de descarga de la segunda boquilla de inyección de gas 64 puede estar al ras o colocado por debajo de la primera boquilla de inyección de gas 54. Por ejemplo, la realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 mostrado en las FIGS. 7 y 8 pueden sustituirse para la realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 mostrado en las FIGS. 1B, 2B, 3B, 4B, 5 y 6.

La FIG. 9 ilustra otra realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 usado en relación con el conjunto de antorcha y la punta de antorcha 10 mostrados en la FIG. 1A. En esta realización, el sistema de inyección de vapor por etapas 40 es un sistema de inyección de vapor de tres etapas que incluye un primer conjunto de inyección de gas 100, un segundo conjunto de inyección de gas 102 y un tercer conjunto de inyección de gas 104. El primer conjunto de inyección de gas 100, el segundo conjunto de inyección de gas 102 y el tercer conjunto de inyección de gas 104 están todos próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que los tres conjuntos de inyección de gas inyectan vapor (o vapor y/o un gas alternativo como en el caso de los conjuntos 102 y 104) al interior del miembro tubular interior 14 de la punta de antorcha 10.

El primer conjunto de inyección de gas 100 está configurado para inyectar vapor a un alto caudal y una alta presión al interior del miembro tubular interior 14 de la punta de antorcha 10 del conjunto de antorcha. El primer conjunto de inyección de gas 100 incluye una primera fuente de gas por etapas 108 conectada de manera fluida a una primera boquilla de inyección de gas 110. La primera fuente de gas por etapas 108 proporciona vapor a la primera boquilla de inyección de gas 110. La primera boquilla de inyección de gas 110 descarga vapor al interior del miembro tubular interior 14 y, al hacerlo, aspira aire de la atmósfera circundante al interior de la zona de premezcla 16.

El segundo conjunto de inyección de gas 102 está configurado para inyectar vapor y/o un gas alternativo a un caudal bajo y alta presión al interior del miembro tubular interior 14. El segundo conjunto de inyección de gas 102 incluye una segunda fuente de gas por etapas 112 que está conectada de manera fluida a una segunda boquilla de inyección de gas 114. La segunda fuente de gas por etapas 112 proporciona vapor y/o un gas alternativo a la segunda boquilla de inyección de gas 114. La segunda boquilla de inyección de gas 114 incluye al menos un puerto de descarga que tiene un área de descarga total de no más de la mitad del área de descarga total correspondiente del/de los puerto(s) de descarga de la primera boquilla de inyección de gas 110 a caudal alto y alta presión. Esto permite que el segundo conjunto de inyección de gas 102 inyecte gas a un caudal bajo y alta presión.

El tercer conjunto de inyección de gas 104 está configurado para inyectar vapor y/o un gas alternativo a un bajo caudal y alta presión al interior del miembro tubular interior 14 de la punta de antorcha 10 del conjunto de antorcha. El tercer conjunto de inyección de gas 104 incluye una tercera fuente de gas por etapas 116 que está conectada de manera fluida a una tercera boquilla de inyección de gas 118. La tercera fuente de vapor 116 proporciona vapor y/o un gas alternativo a la tercera boquilla de inyección de gas 118. La tercera boquilla de inyección de gas 118 incluye al menos un puerto de descarga que tiene un área de descarga total de no más de la mitad del área de descarga total correspondiente del/de los puerto(s) de descarga de la segunda boquilla de inyección de gas 114. Esto permite que el tercer conjunto de inyección de gas 104 inyecte gas a un caudal aún más bajo y a alta presión. Al igual que con las otras realizaciones del sistema de inyección de vapor por etapas 40, la descarga de vapor (y un gas alternativo si se usa un gas alternativo) aspira aire de la atmósfera circundante que se mezcla con el gas residual y favorece una combustión sin humos.

Haciendo referencia ahora a las FIGS. 10 y 11, se describirá otra realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40. Esta realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 es igual en todos los aspectos que la realización de la inyección de vapor por etapas 40 mostrada en la FIG. 9, excepto que el primer conjunto de inyección de gas 100, el segundo conjunto de inyección de gas 102 y el tercer conjunto de inyección de gas 104 se combinan, en parte, para formar una sola unidad. La combinación parcial de los conjuntos de inyección de gas en una sola unidad mejora la distribución de vapor por parte del sistema 40. Por ejemplo, las boquillas de inyección de gas 110, 114 y 118 se combinan juntas en una sola unidad. Los ensamblajes de inyección de gas 100, 102 y 104 todavía están próximos entre sí y orientados en la misma dirección, de modo que los tres ensamblajes de inyección de gas inyectan vapor (y/o un gas alternativo en el caso de los ensamblajes 102 y 104) en la punta de la antorcha. 10 o zona de combustión 70. El primer conjunto de inyección de gas 100 todavía está configurado para inyectar vapor a un caudal alto y presión alta al interior de la punta de antorcha 10 o la zona de combustión 70. Los conjuntos de inyección de gas segundo y tercero 102 y 104 todavía están configurados para inyectar un gas (vapor y/o un gas alternativo) a un caudal más bajo y una presión alta al interior de la punta de antorcha 10 o zona de combustión 70. La segunda boquilla de inyección de gas 114 incluyen al menos un puerto de descarga que tiene un área de descarga total de no más de la mitad del área de descarga total correspondiente del/de los puerto(s) de descarga de la boquilla de inyección de gas 110 a caudal alto y alta presión. La tercera boquilla de inyección de gas 118 todavía incluye al menos un puerto de descarga que tiene un área de descarga total de no más de la mitad del área de descarga total correspondiente del/de los puerto(s) de descarga de la boquilla de inyección de gas 114. Por ejemplo, esta realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 puede sustituirse por el sistema de inyección de vapor por etapas 40 mostrado en la FIG. 9.

Como se muestra mejor en la FIG. 11, la segunda boquilla de inyección de gas 114 incluye una pluralidad de puertos de descarga 114a, 114b, 114c, 114d, 114e y 114f). La boquilla de inyección de gas 114 puede incluir más de 6 o menos de 6 puertos de descarga, según se desee. Por ejemplo, se pueden utilizar de 6 a 24 puertos de descarga. La segunda boquilla de inyección de gas 114 se coloca alrededor de la primera boquilla de inyección de gas 110. La tercera boquilla de inyección de gas 118 se coloca en el eje central vertical de la primera boquilla de inyección de gas 110. Aunque la FIG. 11 muestra la tercera boquilla de inyección de gas 118 colocada encima de la primera boquilla de inyección de gas 110, la tercera boquilla de inyección de gas también puede estar al ras o colocada debajo de la primera boquilla de inyección de gas. Al igual que con las otras realizaciones del sistema de inyección de vapor por etapas 40, la descarga de vapor (y un gas alternativo si se usa un gas alternativo) aspira aire de la atmósfera circundante que se mezcla con el gas residual y ayuda a favorecer una combustión sin humos.

La FIG. 12 ilustra el uso de la realización del sistema de inyección de vapor por etapas 40 mostrado en las FIGS. 10 y 11 en relación con las configuraciones de antorcha mostradas en las FIGS. 1^a y 1B. La primera boquilla de inyección de gas 110, la segunda boquilla de inyección de gas 114 y la tercera boquilla de inyección de gas 118 descargan cada una vapor (y/o un gas alternativo en el caso de las boquillas de inyección 114 y 118) al interior del miembro tubular interior 14 para aspirar aire de la atmósfera circundante al interior de la zona de premezcla 16 en el miembro tubular exterior 12 de la punta de antorcha 10. El aire aspirado arrastra al interior el gas residual conducido a través del paso de gas 22 antes de salir por la punta de antorcha 10. La mezcla de aire/gas residual sale después por la punta de antorcha 10. Nuevamente esto tiene la ventaja de favorecer la combustión sin humos del gas residual.

Aunque no se muestra en los dibujos, también se pueden incluir características adicionales en el sistema de inyección de vapor por etapas 40 descrito en el presente documento. Por ejemplo, en realizaciones aplicables, el segundo conjunto de inyección de gas 60 se puede conectar térmicamente al primer conjunto de inyección de gas 50. Esto permite que el segundo conjunto de inyección de gas 60 transfiera calor al interior del primer conjunto de inyección de gas 50 y ayude a mantener la temperatura de las líneas de vapor en el primer conjunto de inyección de gas elevada a un nivel aceptable. Por ejemplo, la temperatura de las líneas de vapor se puede mantener a la temperatura de saturación del agua a la presión barométrica local o superior.

En otra realización, el sistema de inyección de vapor por etapas 40 incluye un conjunto de inyección de gas. El conjunto de inyección de gas incluye una fuente de vapor y una boquilla de inyección de vapor conectada de manera fluida. La fuente de vapor proporciona vapor a la boquilla de inyección de vapor. La boquilla de inyección de vapor es una boquilla de inyección de vapor de área variable que tiene la capacidad de variar el área de salida del vapor a medida que aumenta la presión del vapor, consiguiendo el efecto de bajo flujo a alta presión y alto flujo a alta presión.

Una ventaja de usar vapor para arrastrar aire al interior del gas residual es que consigue una combustión sin humos del gas residual. Una ventaja de tener un sistema de inyección de vapor por etapas que incluye un conjunto de inyección de gas para inyectar vapor (y/o un gas alternativo) a un caudal bajo y alta presión es que permite que el conjunto de antorcha funcione usando menos vapor en condiciones de regulación. Permite la potencia necesaria para arrastrar aire al interior del gas residual en condiciones de regulación utilizando menos vapor al mismo tiempo. Por ejemplo, una boquilla de vapor convencional de una antorcha XP™ (vendida por John Zink Hamworthy Combustion de Tulsa, Oklahoma) funcionando a 149,685 kg/h (330 lb/h) de vapor funciona a menos de 75,842 kPa (0,11 psig) de presión y produce aproximadamente 1,36 kg de fuerza (3 libras de fuerza (lbf)) de potencia. Una boquilla de flujo bajo que funcione a aproximadamente 34,473 kPa (5 psig) también produciría aproximadamente 1,36 kg (3 lbf) de potencia, pero requeriría menos de 31,751 kg/h (70 lb/h) de vapor para hacerlo.

La punta de antorcha proporcionada por la presente descripción incluye una punta de antorcha que incluye el sistema de inyección de vapor por etapas 40 descrito anteriormente. La punta de antorcha puede incluir cualquiera de las configuraciones de la punta de antorcha 10 descrita anteriormente. Cualquiera de las realizaciones del sistema de inyección de vapor por etapas 40 descrito anteriormente se puede usar en asociación con la punta de antorcha.

Ejemplo

El sistema de inyección de vapor por etapas mostrado en la FIG. 4B en el presente documento se probó. Como se muestra, la punta de antorcha 10 incluía tanto boquillas de vapor convencionales de alto flujo y alta presión (HFHP) como boquillas de vapor de bajo flujo y alta presión (LFHP). Al realizar las pruebas, se inyectó vapor a través de las boquillas HFHP y las boquillas LFHP.

La primera fase de la prueba consistió en enviar diversos caudales de vapor a las boquillas HFHP mientras se cerraba el flujo de vapor a las boquillas LFHP. Para cada caudal de vapor HFHP, el caudal de hidrocarburo a la punta de la antorcha se ajustó al máximo que todavía producía una combustión sin humos.

La segunda fase de la prueba consistió en enviar diversos caudales de vapor a las boquillas LFHP mientras se cerraba el flujo de vapor a las boquillas HFHP. Para cada caudal de vapor LFHP, el caudal de hidrocarburo a la antorcha se ajustó al máximo que todavía producía una combustión sin humos.

La FIG. 13 ilustra los resultados de las pruebas. En resumen, las pruebas demostraron que la cantidad de vapor necesaria para una combustión sin humos en condiciones de regulación se puede reducir mediante el uso de boquillas de vapor LFHP.

Por lo tanto, la presente invención está bien adaptada para alcanzar los fines y las ventajas mencionados, así como las que le son inherentes. Las realizaciones particulares descritas anteriormente son solo ilustrativas, ya que la presente invención puede modificarse y practicarse de maneras diferentes, pero equivalentes, evidentes para los expertos en la técnica que se benefician de las enseñanzas del presente documento. Asimismo, no se pretende limitar los detalles de construcción o diseño mostrados en el presente documento, que no sean los descritos en las siguientes reivindicaciones. Por lo tanto, es evidente que los ejemplos ilustrativos particulares descritos anteriormente pueden alterarse o modificarse, y todas esas variaciones se consideran dentro del alcance de la presente invención. Si bien los aparatos y métodos pueden describirse en términos de "comprender", "contener", "tener", o "incluir" diversos componentes o etapas, los aparatos y los métodos también pueden, en algunos ejemplos, "consistir esencialmente en" o "consistir en" los diversos componentes y etapas. Siempre que se describa un intervalo numérico con un límite inferior y un límite superior, cualquier número y cualquier intervalo incluido que entre dentro del intervalo se describe específicamente. En particular, se entenderá que cada intervalo de valores (de la forma, "de aproximadamente a aproximadamente b", o, de manera equivalente, "de aproximadamente a a b", o, de manera equivalente, "de aproximadamente a-b") descrito en el presente documento expone todos los números e intervalos abarcados dentro del intervalo más amplio de valores. Asimismo, los términos de las reivindicaciones tienen su significado simple y ordinario salvo que en la memoria descriptiva se defina otra cosa de manera explícita y clara.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas para una punta de antorcha (10) que puede descargar gas residual al interior de una zona de combustión e incluye un miembro tubular interior dispuesto dentro de un miembro tubular exterior, comprendiendo el método:

en un primer conjunto de inyección de gas (50, 100), inyectar vapor a un alto caudal de al menos 0,252 kg/s (2000 Ib/h) y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10), incluyendo dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100):

una primera fuente de gas por etapas (52, 108), siendo dicha primera fuente de gas por etapas (52, 108) una fuente de vapor; y

una primera boquilla de inyección de gas (54, 110) conectada de manera fluida a dicha primera fuente de gas por etapas (52, 108); y

en un segundo conjunto de inyección de gas (60, 102), inyectar un gas a un caudal bajo de la mitad o menos del caudal alto y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10), incluyendo dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102):

una segunda fuente de gas por etapas (62, 112); y

una segunda boquilla de inyección de gas (64, 114) conectada de manera fluida a dicha segunda fuente de gas por etapas (62, 112),

en donde dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100) y dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que tanto dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100) como dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) inyectan gas al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10).

2. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 1, en donde dicho gas inyectado al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10) por parte de dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) se selecciona del grupo de vapor, un gas alternativo y una mezcla de los mismos.

3. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 2, en donde dicho gas inyectado al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10) por parte de dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) es vapor, y dicha segunda fuente de gas por etapas (62, 112) es una fuente de vapor, en donde dichas fuentes de gas por etapas primera y segunda (52, 108, 62, 112) son preferiblemente la misma fuente de gas.

4. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 1, en donde dichos conjuntos de inyección de gas primero y segundo se combinan, en parte, para formar una sola unidad.

5. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 1, que comprende además:

en un tercer conjunto de inyección de gas (104), inyectar un gas a un caudal bajo de la mitad o menos del caudal alto y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10), incluyendo dicho tercer conjunto de inyección de gas (104):

una tercera fuente de gas por etapas; y

una tercera boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a dicha tercera fuente de gas por etapas,

en donde dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100), dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) y dicho tercer conjunto de inyección de gas (104) están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que dichos primer conjunto de inyección de gas (50, 100), segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) y tercer conjunto de inyección de gas (104) inyectan gas al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10).

6. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 5, en donde dicho gas inyectado al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10) por parte de dichos conjuntos de inyección de gas segundo y tercero se selecciona del grupo de vapor, un gas alternativo y una mezcla de los mismos.

7. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 6, en donde dicho gas inyectado al interior del miembro tubular interior de la punta de antorcha (10) por parte de los conjuntos de inyección de gas segundo y tercero es vapor, y dichas fuentes de gas por etapas segunda y tercera son, cada una, una fuente de vapor, en donde dichas fuentes de gas por etapas primera, segunda y tercera son preferiblemente la misma fuente de gas.

8. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 5, en donde dichos conjuntos de inyección de gas primero, segundo y tercero se combinan, en parte, para formar una sola unidad.

9. Un método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas para una punta de antorcha (10) que puede descargar gas residual al interior de una zona de combustión, comprendiendo el método:

en un primer conjunto de inyección de gas (50, 100), inyectar vapor a un alto caudal de al menos 0,252 kg/s (2000 Ib/h) y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior de la zona de combustión, incluyendo dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100):

una primera fuente de gas por etapas (52, 108), siendo dicha primera fuente de gas por etapas (52, 108) una fuente de vapor y

una primera boquilla de inyección de gas (54, 110) conectada de manera fluida a dicha primera fuente de gas por etapas (52, 108); y

en un segundo conjunto de inyección de gas (60, 102), inyectar un gas a un caudal bajo de la mitad o menos del caudal alto y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior de la zona de combustión, incluyendo dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102):

una segunda fuente de gas por etapas (62, 112); y

una segunda boquilla de inyección de gas (64, 114) conectada de manera fluida a dicha segunda fuente de gas por etapas (62, 112),

en donde dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100) y dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que tanto dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100) como dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) inyectan gas al interior de la zona de combustión.

10. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 9, en donde dicho gas inyectado al interior de la zona de combustión por parte de dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) se selecciona del grupo de vapor, un gas alternativo y una mezcla de los mismos.

11. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 10, en donde dicho gas inyectado al interior de la zona de combustión por parte de dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) es vapor, y dicha segunda fuente de gas por etapas (62, 112) es una fuente de vapor, en donde dichas fuentes de gas por etapas primera y segunda (52, 108, 62, 112) son preferiblemente la misma fuente de gas, y en donde dichos conjuntos de inyección de gas primero y segundo se combinan preferiblemente, en parte, para formar una sola unidad.

12. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 9, que comprende además:

en un tercer conjunto de inyección de gas (104), inyectar un gas a un caudal bajo de la mitad o menos del caudal alto y una alta presión de al menos 344,738 kPa (50 psig) al interior de la zona de combustión, incluyendo dicho tercer conjunto de inyección de gas (104):

una tercera fuente de gas por etapas; y

una tercera boquilla de inyección de gas conectada de manera fluida a dicha tercera fuente de gas por etapas,

en donde dicho primer conjunto de inyección de gas (50, 100), dicho segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) y dicho tercer conjunto de inyección de gas (104) están próximos entre sí y orientados en la misma dirección de manera que dichos primer conjunto de inyección de gas (50, 100), segundo conjunto de inyección de gas (60, 102) y tercer conjunto de inyección de gas (104) inyectan gas al interior de la zona de combustión.

13. El método de funcionamiento de un sistema de inyección de vapor por etapas de la reivindicación 12, en donde dicho gas inyectado al interior de la zona de combustión por parte de los conjuntos de inyección de gas segundo y tercero es vapor, y dichas fuentes de gas por etapas segunda y tercera son, cada una, una fuente de vapor, en donde dichos conjuntos de inyección de gas primero, segundo y tercero se combinan preferiblemente, en parte, para formar una sola unidad.