天然氣密閉燃燒器的研制與應(yīng)用

龐東曉 陸燈云 韓 雄 王秀華 王志敏

1. 中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 引言

天然氣勘探開發(fā)過程中常常會(huì)產(chǎn)生廢棄天然氣，這些廢棄天然氣氣量較小、產(chǎn)出時(shí)間短、回收成本高。目前主要采用燃燒池或者高空火炬進(jìn)行燃燒處理。但燃燒過程中一方面會(huì)產(chǎn)生噪音和強(qiáng)光，影響井場(chǎng)周邊當(dāng)?shù)鼐用褡飨ⅲǜ鶕?jù)四川盆地某天然氣井試油測(cè)試期間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，處理氣量在6×104m3/d的情況下，距燃燒池和高空火炬50 m處的噪音通常超過100 dB）；另一方面，修建燃燒池需要征用土地，更要花費(fèi)人力和物力進(jìn)行修建，工作量大，周期長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度和效率，且燃燒使用后土地復(fù)耕困難?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，在距燃燒池10 m處，最高溫度超過60 ℃，周邊植被受熱輻射影響嚴(yán)重[1-4]。

為此，需要研制一種天然氣密閉燃燒器，整個(gè)燃燒過程中火焰不外露，煙氣黑度小于等于林格曼2級(jí)；距離燃燒器殼體10 m處，噪音小于等于85 dB、環(huán)境溫度升高值小于等于10 ℃，從而適應(yīng)于處理天然氣勘探開發(fā)過程中所產(chǎn)生的廢棄天然氣。

1 天然氣密閉燃燒器方案設(shè)計(jì)

1.1 國(guó)內(nèi)外天然氣燃燒器模式

天然氣密閉燃燒器主要用來處理探井試油測(cè)試、頁(yè)巖氣試采過程中的廢棄天然氣。目前國(guó)內(nèi)還沒有同類產(chǎn)品，國(guó)外在20世紀(jì)70年代初就開始研究，主要分為開放式地面火炬系統(tǒng)和封閉式地面火炬系統(tǒng)，前者較后者的處理量大，但環(huán)保性能較后者差，目前主要以封閉式地面火炬系統(tǒng)為主，如美國(guó)John Zink、Kaldair、QTI等公司均推出了自己的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在試油測(cè)試中試制了天然氣燃燒器，但由于不能充分燃燒，處理的廢棄天然氣量?jī)H為7×104m3/d，難以推廣應(yīng)用。因而采用燃燒池放噴燃燒依然是各大油氣田采取的最普遍的方式[5-7]。

現(xiàn)階段針對(duì)產(chǎn)氣量相對(duì)偏低的非常規(guī)天然氣藏，已嘗試在井場(chǎng)內(nèi)使用高空燃燒火炬進(jìn)行燃燒，雖然該方式可以有效降低修建燃燒池以及征地等費(fèi)用，提高測(cè)試效率，但仍然不可避免地產(chǎn)生巨大的光污染與噪音污染，影響井場(chǎng)周邊社區(qū)的居民作息，并可能導(dǎo)致糾紛，影響頁(yè)巖氣連續(xù)返排測(cè)試等施工作業(yè)的進(jìn)行[8-10]。

1.2 方案設(shè)計(jì)

密閉燃燒器需要充分燃燒廢棄天然氣，燃燒后的熱量不回收直接從密閉火炬頂部排放至大氣，要求天然氣燃燒在密閉空間內(nèi)部進(jìn)行，火焰不冒出密閉筒體，密閉火炬上應(yīng)配置防回火裝置防止火炬在熄滅或關(guān)閉時(shí)回火。密閉火炬工作時(shí)為立式安裝，運(yùn)輸時(shí)為臥式。密閉燃燒器主要由筒體、火焰檢測(cè)器、燃燒器、控制系統(tǒng)等組成，其中，耐高溫隔熱材料安裝在筒體的內(nèi)壁周圍，燃燒器設(shè)置在筒體內(nèi)且安裝在筒體底部。筒體底部開有通風(fēng)口和天然氣入口，后者與燃燒頭連通，前者位于燃燒頭的下方，與筒體內(nèi)壁相通。自動(dòng)點(diǎn)火和控制系統(tǒng)安裝在筒體上，其中火焰檢測(cè)器位于燃燒器的上方，燃燒頭內(nèi)安裝電子點(diǎn)火器，其與外部的點(diǎn)火控制箱連接[11-17]。

主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

①密閉燃燒器最大燃燒處理氣量為30×104m3/d；要求在筒體內(nèi)部燃燒，火焰不超出筒體，采用自然吸風(fēng)式助燃；②密閉火炬燃燒時(shí)筒體外壁最高溫度小于等于300 ℃，距燃燒筒20 m外噪音強(qiáng)度小于等于85 dB，與大氣環(huán)境溫差小于10 ℃；③尺寸在8 950 mm（長(zhǎng)）×2 700 mm（寬）×2 700 mm（高）范圍內(nèi)。

2 天然氣密閉燃燒器研制

2.1 燃燒器噴嘴研制

燃燒器采用文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過放散氣的引射作用對(duì)助燃空氣進(jìn)行引射，并通過混合室實(shí)現(xiàn)助燃空氣和放散氣的均勻混合，同時(shí)保持速度場(chǎng)均勻。具有進(jìn)氣端和出氣端，燃?xì)鈬娮煸O(shè)在進(jìn)氣端（圖1），穩(wěn)焰器安裝在出氣端；燃?xì)庥扇細(xì)鈬娮焐涑?，引射空氣進(jìn)入燃燒頭；火焰通過出口處的火焰穩(wěn)定器，形成回流漩渦區(qū)，起到穩(wěn)定火焰，控制流速的作用。

圖1 密閉燃燒器簡(jiǎn)圖

為了進(jìn)一步優(yōu)化文丘里噴嘴，通過調(diào)整噴嘴出口孔徑以及進(jìn)風(fēng)截面尺寸，將吸入空氣預(yù)混比例由常規(guī)1∶9提高到1∶17，單個(gè)噴嘴在處理氣量為0.3×104

m3/d時(shí)達(dá)到最佳燃燒效果，火焰高度可控制在1 m內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)表明，最優(yōu)結(jié)構(gòu)（圖2中結(jié)構(gòu)3）燃燒效率提高至98%以上。

圖2 3種噴嘴結(jié)構(gòu)燃燒對(duì)比圖

2.2 噴嘴分布

為了滿足最大燃燒處理氣量30×104m3/d的指標(biāo)要求，需要布置超過100個(gè)噴嘴。在噴嘴分布上，首先需要確保噴嘴火焰之間不會(huì)連焰，還要設(shè)置專用傳焰裝置保障所有噴嘴同時(shí)燃燒，最后還應(yīng)留出足夠的空間保障空氣吸入無阻礙。

為此采用了4層倒塔形噴嘴布局（圖3），其中第一層（底部）17根，第二層18根，第三層30根，第四層38根，共計(jì)103根，總處理氣量30.9×104m3/d。

每一層配備4個(gè)長(zhǎng)明火炬，總共16個(gè)，確保點(diǎn)火可靠，長(zhǎng)明火炬防爆防水，可以在惡劣的氣候條件下點(diǎn)燃，設(shè)有測(cè)溫鎧裝式熱電偶，通過檢測(cè)溫度及時(shí)把長(zhǎng)明火燃燒情況反饋給地面控制系統(tǒng)。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由電動(dòng)閥、傳感器、РLC遠(yuǎn)程控制柜和計(jì)算機(jī)控制軟件組成。

對(duì)每一層噴嘴采用分壓控制方式進(jìn)行控制，天然氣進(jìn)入火炬區(qū)后分為4路，由電動(dòng)閥控制，分別進(jìn)入燃燒器噴嘴的第一層、第二層、第三層和第四層進(jìn)行燃燒。整套裝置在自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)的集中監(jiān)控下自動(dòng)運(yùn)行（圖4）。

燃燒器噴嘴和點(diǎn)火器由壓力變送器作為觸發(fā)條件進(jìn)行控制，當(dāng)壓力高于點(diǎn)火設(shè)定值時(shí)，點(diǎn)火器啟動(dòng)點(diǎn)燃長(zhǎng)明火并正常燃燒；當(dāng)壓力高于第一層燃燒器噴嘴閥門設(shè)定值時(shí)且長(zhǎng)明火正常燃燒時(shí)，自動(dòng)打開第一層燃燒器閥門，天然氣進(jìn)入第一層燃燒器噴嘴進(jìn)行燃燒；當(dāng)壓力高于第二層燃燒器噴嘴閥門設(shè)定值且長(zhǎng)明火正常燃燒時(shí)，自動(dòng)打開第二層燃燒器噴嘴閥門，天然氣由第一、二層燃燒器噴嘴同時(shí)進(jìn)行燃燒；當(dāng)壓力高于第三層燃燒器噴嘴閥門設(shè)定值且長(zhǎng)明火正常燃燒時(shí)，自動(dòng)打開第三、四層燃燒器噴嘴閥門，天然氣由第一、二、三、四層燃燒器噴嘴同時(shí)進(jìn)行燃燒。

壓力低于哪一層燃燒器噴嘴閥門下限，該層燃燒器噴嘴閥門就會(huì)關(guān)閉，如當(dāng)壓力低于第四層燃燒器噴嘴閥門下限時(shí)，第四層燃燒器噴嘴閥門關(guān)閉，依次類推；當(dāng)壓力低于長(zhǎng)明火下限時(shí)，則關(guān)閉長(zhǎng)明火。4層燃燒器噴嘴根據(jù)壓力變動(dòng)自動(dòng)燃燒，實(shí)現(xiàn)尾氣的穩(wěn)定放空，防止火炬的頻繁啟、停。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)井及燃燒簡(jiǎn)況

試驗(yàn)井位于重慶市永川區(qū)，為一口水平井，完鉆井深 3 945.12 m/5 844.00 m（垂深 /斜深），試油層位為下志留統(tǒng)龍馬溪組，采用分簇射孔＋可溶橋塞分段壓裂工藝，分段數(shù)為30段。

在放噴口見氣并遠(yuǎn)程點(diǎn)火燃燒，隨后開始使用該密閉燃燒器。為了對(duì)比密閉燃燒器的效果，在天然氣放噴測(cè)試期間，一部分天然氣在燃燒池點(diǎn)火燃燒，另一部分天然氣則采用密閉燃燒器燃燒。期間隨著地層液體的排出，井口產(chǎn)氣量會(huì)逐步增大并趨于穩(wěn)定，因此本次試驗(yàn)分為兩個(gè)階段（包括小產(chǎn)氣量階段和正常放噴階段）進(jìn)行，間斷使用密閉燃燒器6 d，共約35 h。其中小產(chǎn)氣量階段放噴測(cè)試持續(xù)4 d，選取其中的2 d開展密閉燃燒器試驗(yàn)，間斷使用密閉燃燒器約15 h；正常放噴階段持續(xù)25 d，選取4 d開展密閉燃燒器試驗(yàn)，間斷使用密閉燃燒器約20 h。

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 小產(chǎn)氣量階段

在初期由于單井產(chǎn)氣量較低，燃燒器僅第一層和第二層燃燒頭打開?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5所示，試驗(yàn)井平均產(chǎn)氣量為17.9×104m3/d，其中一部分天然氣（9.0×104m3/d）分流到現(xiàn)場(chǎng)燃燒池燃燒，另一部分（8.9×104m3/d）分流進(jìn)入燃燒器燃燒；20 m處噪聲平均為41 dB，溫度平均為21.2 ℃，與環(huán)境溫度無差異；現(xiàn)場(chǎng)情況如圖6所示，火焰燃燒不可見，無黑煙出現(xiàn)。

圖5 放噴初期環(huán)境溫度和噪聲隨燃燒器處理氣量變化曲線圖

3.2.2 正常放噴階段

正常放噴期間，第一層、第二層、第三層和第四層燃燒器噴嘴全部打開?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖7所示：試驗(yàn)井平均產(chǎn)氣量為54.3×104m3/d，通過分流進(jìn)入燃燒器的氣量為29.3×104m3/d；20 m處噪聲平均為78.6 dB，最大為 83.9 dB；溫度升值 28.6 ℃后無變化，與大氣環(huán)境溫差9.2 ℃（測(cè)試時(shí)為夜間，環(huán)境溫度為19.4 ℃）；現(xiàn)場(chǎng)火焰燃燒略微可見，無黑煙出現(xiàn)。

圖6 燃燒器和燃燒池處理效果對(duì)比圖

圖7 正常放噴期間環(huán)境溫度和噪聲隨燃燒器處理氣量變化曲線圖

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

密閉燃燒器在降低熱輻射和光污染方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，能滿足不用征地修建放噴口，直接在原有井場(chǎng)角落上擺放該型號(hào)密閉燃燒器后就進(jìn)行放噴排液的要求，在噪音控制方面滿足20 m范圍之外噪音強(qiáng)度小于等于85 dB，與大氣環(huán)境溫差小于10 ℃的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

1）通過開展強(qiáng)吸預(yù)混燃燒噴嘴、噴嘴布局研究和分壓控制研究，研制的密閉燃燒器燃燒效率提高至98%以上。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：處理氣量最大（29.3×104m3/d）條件下燃燒時(shí)無可見火焰，距離燃燒器殼體20 m處噪音小于等于85 dB、周圍環(huán)境溫度升高值小于等于10 ℃。

2）密閉燃燒器能有效降低噪音、熱輻射和光污染，無需修建燃燒池和樹立立式火炬，對(duì)于頁(yè)巖氣開發(fā)、探井試油測(cè)試等方面的天然氣廢棄氣的處理有明顯工程優(yōu)勢(shì)，具備推廣應(yīng)用的前景。

3）由于試驗(yàn)時(shí)間較短，對(duì)密閉燃燒器的抗溫性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性等未進(jìn)行充分驗(yàn)證，下一步加大研究和試驗(yàn)力度，以期為密閉燃燒器的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。