新型測試燃燒器熱輻射特性分析

陳建旭

（中國石油長城鉆探工程公司測試公司，北京100101）

在石油勘探過程中的試油工程作業中，燃燒器是石油鉆井平臺上不可或缺的關鍵設備[1-2]。國內外在燃燒器的研制方面已經有了相當大的進展，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場作業人員的難題。目前燃燒器結構采用擴散燃燒方式，燃料以較高的速度從噴頭噴孔徑向噴入套筒內，然后再以低流速噴出套筒與外界空氣剪切混合，再被點燃并快速燃燒。由于套筒內部燃料噴孔告訴噴射形成嘯叫聲，并于套筒內部極易形成共振，放大噪聲[3-5]，同時套筒出口流速較低，燃料大截面低速噴射動能較小，與外界空氣混合狀態較差，以擴散燃燒方式燃燒著火點離套筒出口不遠處，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，著火點根部熱量較低，火焰根部不穩定，湍流脈動較大，受環境影響較為劇烈，且后部冷空氣無法進入套筒內部給予降溫，會導致套筒在高溫輻射下變形損壞。

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

1 新型燃燒器結構設計

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量，把原有側向開孔改為10分支，每分支4～5噴孔并向前15°～17°擴散噴射。尾部增加了旋轉雙層孔板構成尾部可調風門結構（見圖1），套筒內壁增設了文丘里結構，這種結構可以使前端燃料噴射能量形成負壓，增加燃料與空氣的混合程度，形成局部預混燃燒，穩定火焰根部，同時可以利用空氣來冷卻燃燒器本體，再加上套筒內外部都增設了耐火澆注材料，可以極大地增加本體的使用壽命[9-10]，防止變形。

圖1 新型燃燒器結構圖

2 新型燃燒器熱輻射數值分析

新型燃燒器熱輻射數據是按照不同放噴工況進行分析。新型燃燒器套筒后部將徑向噴射為前向擴散射流，通過燃料自身高速射流的能量，在套筒內部無亂流，多分支噴頭上的燃料射流形成的負壓可以使后部空氣從多分支噴頭中間隙進入，與燃料發生預混，形成局部負壓引射后部進入大量空氣，使原有擴散燃燒變為部分預混燃燒方式，確保火焰根部離開燃燒器減小熱輻射對燃燒器本體的損傷，同時確保高效燃燒[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域向上偏轉為擴散燃燒，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和擴散的火焰形狀。火焰根部和著火點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部形成局部高溫區，內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，可以通過內置耐火襯里消除高溫對燃燒器本體的損傷，同時負壓引射冷空氣補充冷卻燃燒器本體，保證其結構的穩定性。燃燒器套筒內最高溫度約為700℃。套筒外壁溫度很低，跟環境溫度接近。

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向并繼續擴展，為強化燃料空氣的混合和預混穩定燃燒創造了必要條件，套筒內部結構可以防止出現亂流，強化了燃燒過程，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，形成高效穩定的燃燒狀態。

在放噴量為5×104m3/d時，通過調節風門開度，從新型燃燒器風門關閉和風門打開時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，套筒內部和多分支分頭表面熱流密度較高。隨著風門開度的增大，射流引射后部進入的空氣質量增多，預混程度增大，引射的冷空氣量增多，火焰高度略有降低，燃燒效率隨風門開度增大而增加。新型燃燒器燃料有向前噴射的趨勢然后再向上偏轉。低流量放噴時，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流動。

2.2 大流量放噴工況熱流密度分布

圖4 新型燃燒器風門開度不同時燃燒器熱流密度

通過分析，在5×105m3/d和1×106m3/d放噴量時，套筒外部熱流密度極低，內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，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，套筒內部前端和多分支噴頭中心部分熱流密度明顯升高，不利于燃料燒器結構強度穩定。增大多分支噴頭上噴孔直徑后，在1.5×106m3/d放噴量時，噴頭表面高熱流密度區域明顯減少。當放噴燃料增大到2×106m3/d時，套筒內前端和噴頭表面熱流密度又進一步降低（見圖5），減少了熱輻射對燃燒器本體的損害。

3 結論

（1）新型燃燒器增加了燃料噴頭的數量，尾部增加了旋轉雙層孔板構成尾部可調風門結構，套筒內壁增設了文丘里結構，利用進入套筒內部的冷空氣冷卻套筒內前端和噴頭，使得套筒內前端和噴頭的熱流密度大幅度降低，抑制熱輻射對燃燒器本體的損害；

（2）根據現場實際使用情況，噴頭結構無法更換，故可以調整噴頭直徑來滿足生產需求；

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

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