新型測(cè)試燃燒器熱輻射特性分析

陳建旭

（中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程公司測(cè)試公司，北京100101）

在石油勘探過程中的試油工程作業(yè)中，燃燒器是石油鉆井平臺(tái)上不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。國(guó)內(nèi)外在燃燒器的研制方面已經(jīng)有了相當(dāng)大的進(jìn)展，但不能充分燃燒、熱輻射大等情況一直是困擾科研人員和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的難題。目前燃燒器結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)散燃燒方式，燃料以較高的速度從噴頭噴孔徑向噴入套筒內(nèi)，然后再以低流速噴出套筒與外界空氣剪切混合，再被點(diǎn)燃并快速燃燒。由于套筒內(nèi)部燃料噴孔告訴噴射形成嘯叫聲，并于套筒內(nèi)部極易形成共振，放大噪聲[3-5]，同時(shí)套筒出口流速較低，燃料大截面低速噴射動(dòng)能較小，與外界空氣混合狀態(tài)較差，以擴(kuò)散燃燒方式燃燒著火點(diǎn)離套筒出口不遠(yuǎn)處，并在浮力作用下，形成向上燃燒的火焰形式。此外套筒底部封死無氧氣供應(yīng)，著火點(diǎn)根部熱量較低，火焰根部不穩(wěn)定，湍流脈動(dòng)較大，受環(huán)境影響較為劇烈，且后部冷空氣無法進(jìn)入套筒內(nèi)部給予降溫，會(huì)導(dǎo)致套筒在高溫輻射下變形損壞。

通過數(shù)學(xué)建模和熱輻射特性分析[6]，可以對(duì)新型燃燒器的燃燒狀況和熱輻射量進(jìn)行初步分析。本文通過ANSYS軟件對(duì)新型燃燒器的溫度分布[7-8]、套管內(nèi)外熱流密度進(jìn)行分析，對(duì)新型燃燒器燃燒的穩(wěn)定性和本體在熱輻射環(huán)境下的可靠性都提供了重要的依據(jù)。

1 新型燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型燃燒器噴頭采用多分支組件，增加了帶有傾角的噴孔數(shù)量，把原有側(cè)向開孔改為10分支，每分支4～5噴孔并向前15°～17°擴(kuò)散噴射。尾部增加了旋轉(zhuǎn)雙層孔板構(gòu)成尾部可調(diào)風(fēng)門結(jié)構(gòu)（見圖1），套筒內(nèi)壁增設(shè)了文丘里結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使前端燃料噴射能量形成負(fù)壓，增加燃料與空氣的混合程度，形成局部預(yù)混燃燒，穩(wěn)定火焰根部，同時(shí)可以利用空氣來冷卻燃燒器本體，再加上套筒內(nèi)外部都增設(shè)了耐火澆注材料，可以極大地增加本體的使用壽命[9-10]，防止變形。

圖1 新型燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2 新型燃燒器熱輻射數(shù)值分析

新型燃燒器熱輻射數(shù)據(jù)是按照不同放噴工況進(jìn)行分析。新型燃燒器套筒后部將徑向噴射為前向擴(kuò)散射流，通過燃料自身高速射流的能量，在套筒內(nèi)部無亂流，多分支噴頭上的燃料射流形成的負(fù)壓可以使后部空氣從多分支噴頭中間隙進(jìn)入，與燃料發(fā)生預(yù)混，形成局部負(fù)壓引射后部進(jìn)入大量空氣，使原有擴(kuò)散燃燒變?yōu)椴糠诸A(yù)混燃燒方式，確保火焰根部離開燃燒器減小熱輻射對(duì)燃燒器本體的損傷，同時(shí)確保高效燃燒[11-12]。加上冷空氣的冷卻作用，有效地抑制了燃燒器的熱輻射損傷。

新型燃燒器在水平射流作用下形成了水平燃燒火焰，延伸一段距離后并在浮力的作用下由高溫區(qū)域向上偏轉(zhuǎn)為擴(kuò)散燃燒，在射流衰減和浮力的作用線形成一定的水平，速度逐步衰減并逐漸形成向上偏轉(zhuǎn)和擴(kuò)散的火焰形狀?；鹧娓亢椭瘘c(diǎn)位置與燃燒器本體出口有一定距離（見圖2）。

圖2 燃燒器噴頭中心截面上溫度分布

新型燃燒器僅在套筒內(nèi)部形成局部高溫區(qū)，內(nèi)部燃料噴射前端和多分支噴頭前部表面溫度較高（見圖3），熱流密度也較大，可以通過內(nèi)置耐火襯里消除高溫對(duì)燃燒器本體的損傷，同時(shí)負(fù)壓引射冷空氣補(bǔ)充冷卻燃燒器本體，保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。燃燒器套筒內(nèi)最高溫度約為700℃。套筒外壁溫度很低，跟環(huán)境溫度接近。

圖3 燃燒器多分支噴頭表面溫度分布

2.1 小流量放噴工況熱流密度分布

新型燃燒器是前部擴(kuò)散高速噴射，可以確保燃料沿水平方向與空氣交互混合并在速度衰減后向上方轉(zhuǎn)向并繼續(xù)擴(kuò)展，為強(qiáng)化燃料空氣的混合和預(yù)混穩(wěn)定燃燒創(chuàng)造了必要條件，套筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以防止出現(xiàn)亂流，強(qiáng)化了燃燒過程，增加了噴射燃燒的總面積，降低了過孔流速，減少射流與空氣相互剪切消耗大量能量，提高了燃燒效率，可以確保降低射流速度和燃燒噪音，形成高效穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)。

在放噴量為5×104m3/d時(shí)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，從新型燃燒器風(fēng)門關(guān)閉和風(fēng)門打開時(shí)熱流密度分布方式明顯不同（見圖4），套筒外部熱流密度較低，套筒內(nèi)部和多分支分頭表面熱流密度較高。隨著風(fēng)門開度的增大，射流引射后部進(jìn)入的空氣質(zhì)量增多，預(yù)混程度增大，引射的冷空氣量增多，火焰高度略有降低，燃燒效率隨風(fēng)門開度增大而增加。新型燃燒器燃料有向前噴射的趨勢(shì)然后再向上偏轉(zhuǎn)。低流量放噴時(shí)，燃料噴射速度較低，只能延水平方向較短距離后就與空氣混合燃燒在浮力作用向上偏轉(zhuǎn)流動(dòng)。

2.2 大流量放噴工況熱流密度分布

圖4 新型燃燒器風(fēng)門開度不同時(shí)燃燒器熱流密度

通過分析，在5×105m3/d和1×106m3/d放噴量時(shí)，套筒外部熱流密度極低，內(nèi)部燃料噴射前端和多分支噴頭前部表面熱流密度較高，且高流量放噴時(shí)，燃料和高速射流引射空氣起到冷卻作用，和火焰根部前移遠(yuǎn)離燃燒器本體，使噴頭表面熱流密度明顯降低。在燃料噴孔直徑不增大，1.5×106m3/d放噴量時(shí)，套筒內(nèi)部前端和多分支噴頭中心部分熱流密度明顯升高，不利于燃料燒器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定。增大多分支噴頭上噴孔直徑后，在1.5×106m3/d放噴量時(shí)，噴頭表面高熱流密度區(qū)域明顯減少。當(dāng)放噴燃料增大到2×106m3/d時(shí)，套筒內(nèi)前端和噴頭表面熱流密度又進(jìn)一步降低（見圖5），減少了熱輻射對(duì)燃燒器本體的損害。

3 結(jié)論

（1）新型燃燒器增加了燃料噴頭的數(shù)量，尾部增加了旋轉(zhuǎn)雙層孔板構(gòu)成尾部可調(diào)風(fēng)門結(jié)構(gòu)，套筒內(nèi)壁增設(shè)了文丘里結(jié)構(gòu)，利用進(jìn)入套筒內(nèi)部的冷空氣冷卻套筒內(nèi)前端和噴頭，使得套筒內(nèi)前端和噴頭的熱流密度大幅度降低，抑制熱輻射對(duì)燃燒器本體的損害；

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，噴頭結(jié)構(gòu)無法更換，故可以調(diào)整噴頭直徑來滿足生產(chǎn)需求；

（3）小流量放噴時(shí)，風(fēng)門開度增加，引射空氣量增大，燃燒效率略有提高，高溫區(qū)略有減小。

圖5 新型燃燒器在不同工況下套筒及燃燒噴頭表面熱流密度分布云