Инженеры ПИШ СПбПУ запатентовали революционное запальное устройство для нефтегазовой отрасли

Команда Научно-образовательного центра «Цифровой инжиниринг основного оборудования химико-технологических систем» ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» разработала и запатентовала запальное устройство для реакторов нефтегазоперерабатывающих установок (патент на изобретение RU 2842893 C1). Партнерами изобретения стали АО «ЦКБМ» (входит в Госкорпорацию «Росатом»), ООО «НТЦ «Газконсалтинг», ФИЦ ХФ РАН.

Ученые отмечают, что неудачный розжиг может привести к образованию взрывоопасных концентраций горючей смеси и спровоцировать неконтролируемые экзотермические реакции. Это может создать аварийную ситуацию с потенциальным ущербом для оборудования и персонала. 

«Критически важной производственной проблемой является обеспечение надежного розжига горелочных устройств сложного технологического оборудования, например, реактора автотермического риформинга, в процессе его пуска, — объясняет ответственный исполнитель разработки, эксперт НОЦ «Цифровой инжиниринг основного оборудования химико-технологических систем» ПИШ СПбПУ Юрий Аристович. — Разработанное изделие обеспечивает кардинальное решение проблемы, гарантируя стабильный и надежный розжиг».

Запальное устройство представляет собой единое устройство — сложную техническую систему, где компоненты совместно зажигают горючую смесь. Оно включает корпус с цилиндрической камерой смешивания, патрубки подачи окислителя и горючего газа с клапанами, свечу зажигания и выходной патрубок.

Важная особенность устройства — окислитель подается в тангенциальном направлении, а горючий газ в радиальном. Входные отверстия патрубков устроены так, чтобы при изменении противодавления расходы горючего газа и окислителя менялись пропорционально. Результатом стало повышение надежности работы устройства.

Оно работает в короткоимпульсном режиме, что обеспечивает надежный поджиг при малых тепловых нагрузках в широком диапазоне давлений, и формирует небольшие объемы пламени – огненные эллипсы определенного размера с заданной скоростью. Это обеспечивает надежное воспламенение основной горелки.

Задача казалась крайне сложной. Изначально предполагалась система с развитой инфраструктурой охлаждения и многокомпонентной теплозащитой из-за экстремально высоких температур.

«Специфика реактора исключала возможность применения серийных решений. Рассматривались альтернативные варианты, в том числе с использованием пиротехнических патронов, однако такой подход был признан неоптимальным с точки зрения технологичности и эксплуатационной безопасности», — рассказал главный конструктор по дистанционно управляемому и транспортно-технологическому оборудованию АО «ЦКБМ» Николай Васильев. 

По его словам, созданное надежное и безопасное запальное устройство демонстрирует высокий потенциал применения не только в рамках данного проекта, но и в других отраслях промышленности, где требуются надежные системы инициирования процессов в условиях высоких температур и агрессивных сред.

Как рассказал главный конструктор по ключевому научно-технологическому направлению развития СПбПУ «Системный цифровой инжиниринг», директор ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Алексей Боровков, в начале работы ни один из авторов разработки не мог предвидеть, чем закончится создание этого наукоемкого и высокотехнологичного изделия. Достичь впечатляющих результатов удалось благодаря объединению знаний, опыта и компетенции ученых, инженеров и конструкторов из различных отраслей и формированию уникальной мультидисциплинарной команды.

«Разработка сложной технической системы основана на эффективном применении созданной мультидисциплинарной цифровой модели, представляющей систему взаимоувязанных математических и компьютерных моделей, описывающих кинетику горения, химическую термодинамику свободнорадикальных реакций, динамику вихревых течений при сверхкритических параметрах веществ и нестационарную нелинейную термомеханику. Многочисленные цифровые (виртуальные) испытания и необходимые натурные испытания позволили провести верификацию и валидацию разработанных моделей, повысить уровень адекватности моделей и описания сложных процессов, подтвердили эффективность и надежность разработанного высокотехнологичного изделия», — подчеркнул он.

Таким образом, с помощью методов системного цифрового инжиниринга, инновационного научно-технического задела и на основе цифровой платформы для разработки цифровых двойников CML-Bench® команда реализовала все стадии создания изделия в рекордные сроки: разработка и конструирование заняли два месяца, изготовление и испытания — три месяца. По словам Алексея Боровкова, традиционные подходы не способны обеспечить настолько высокую скорость реализации наукоемких и высокотехнологичных проектов.

Данная разработка внесла научно-технологический задел в создание цифрового (виртуального) испытательного полигона для горелочных устройств. Она является одной из важнейших конечных целей масштабного проекта по разработке горелочных устройств нового поколения для печей пиролиза, который реализуется в рамках ключевого научно-технологического направления (КНТН-1) развития СПбПУ «Системный цифровой инжиниринг» в рамках программы «Приоритет-2030». В июне этого года специалисты ПИШ СПбПУ представили этот проект на площадке компании «Газпром нефть».
В разработке принимали участие специалисты СПбПУ, Федерального исследовательского центра химической физики им. Н. Н. Семенова РАН и Центрального конструкторского бюро машиностроения госкорпорации «Росатом».

С 2025 года проект «Передовые инженерные школы» реализуется в рамках национального проекта «Молодежь и дети».