天然气密闭燃烧器的研制与应用

2019-11-12庞东晓陆灯云王秀华王志敏

天然气工业 2019年10期

庞东晓陆灯云韩雄王秀华王志敏

1. 中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院 2. 中国石油西南油气田公司重庆气矿

0 引言

天然气勘探开发过程中常常会产生废弃天然气，这些废弃天然气气量较小、产出时间短、回收成本高。目前主要采用燃烧池或者高空火炬进行燃烧处理。但燃烧过程中一方面会产生噪音和强光，影响井场周边当地居民作息（根据四川盆地某天然气井试油测试期间现场测试结果表明，处理气量在6×104m3/d的情况下，距燃烧池和高空火炬50 m处的噪音通常超过100 dB）；另一方面，修建燃烧池需要征用土地，更要花费人力和物力进行修建，工作量大，周期长，影响施工进度和效率，且燃烧使用后土地复耕困难。现场测试结果表明，在距燃烧池10 m处，最高温度超过60 ℃，周边植被受热辐射影响严重[1-4]。

为此，需要研制一种天然气密闭燃烧器，整个燃烧过程中火焰不外露，烟气黑度小于等于林格曼2级；距离燃烧器壳体10 m处，噪音小于等于85 dB、环境温度升高值小于等于10 ℃，从而适应于处理天然气勘探开发过程中所产生的废弃天然气。

1 天然气密闭燃烧器方案设计

1.1 国内外天然气燃烧器模式

天然气密闭燃烧器主要用来处理探井试油测试、页岩气试采过程中的废弃天然气。目前国内还没有同类产品，国外在20世纪70年代初就开始研究，主要分为开放式地面火炬系统和封闭式地面火炬系统，前者较后者的处理量大，但环保性能较后者差，目前主要以封闭式地面火炬系统为主，如美国John Zink、Kaldair、QTI等公司均推出了自己的产品。国内在试油测试中试制了天然气燃烧器，但由于不能充分燃烧，处理的废弃天然气量仅为7×104m3/d，难以推广应用。因而采用燃烧池放喷燃烧依然是各大油气田采取的最普遍的方式[5-7]。

现阶段针对产气量相对偏低的非常规天然气藏，已尝试在井场内使用高空燃烧火炬进行燃烧，虽然该方式可以有效降低修建燃烧池以及征地等费用，提高测试效率，但仍然不可避免地产生巨大的光污染与噪音污染，影响井场周边社区的居民作息，并可能导致纠纷，影响页岩气连续返排测试等施工作业的进行[8-10]。

1.2 方案设计

密闭燃烧器需要充分燃烧废弃天然气，燃烧后的热量不回收直接从密闭火炬顶部排放至大气，要求天然气燃烧在密闭空间内部进行，火焰不冒出密闭筒体，密闭火炬上应配置防回火装置防止火炬在熄灭或关闭时回火。密闭火炬工作时为立式安装，运输时为卧式。密闭燃烧器主要由筒体、火焰检测器、燃烧器、控制系统等组成，其中，耐高温隔热材料安装在筒体的内壁周围，燃烧器设置在筒体内且安装在筒体底部。筒体底部开有通风口和天然气入口，后者与燃烧头连通，前者位于燃烧头的下方，与筒体内壁相通。自动点火和控制系统安装在筒体上，其中火焰检测器位于燃烧器的上方，燃烧头内安装电子点火器，其与外部的点火控制箱连接[11-17]。

主要技术指标要求如下：

①密闭燃烧器最大燃烧处理气量为30×104m3/d；要求在筒体内部燃烧，火焰不超出筒体，采用自然吸风式助燃；②密闭火炬燃烧时筒体外壁最高温度小于等于300 ℃，距燃烧筒20 m外噪音强度小于等于85 dB，与大气环境温差小于10 ℃；③尺寸在8 950 mm（长）×2 700 mm（宽）×2 700 mm（高）范围内。

2 天然气密闭燃烧器研制

2.1 燃烧器喷嘴研制

燃烧器采用文丘里喷嘴结构设计，通过放散气的引射作用对助燃空气进行引射，并通过混合室实现助燃空气和放散气的均匀混合，同时保持速度场均匀。具有进气端和出气端，燃气喷嘴设在进气端（图1），稳焰器安装在出气端；燃气由燃气喷嘴射出，引射空气进入燃烧头；火焰通过出口处的火焰稳定器，形成回流漩涡区，起到稳定火焰，控制流速的作用。

图1 密闭燃烧器简图

为了进一步优化文丘里喷嘴，通过调整喷嘴出口孔径以及进风截面尺寸，将吸入空气预混比例由常规1∶9提高到1∶17，单个喷嘴在处理气量为0.3×104

m3/d时达到最佳燃烧效果，火焰高度可控制在1 m内。通过实验表明，最优结构（图2中结构3）燃烧效率提高至98%以上。

图2 3种喷嘴结构燃烧对比图

2.2 喷嘴分布

为了满足最大燃烧处理气量30×104m3/d的指标要求，需要布置超过100个喷嘴。在喷嘴分布上，首先需要确保喷嘴火焰之间不会连焰，还要设置专用传焰装置保障所有喷嘴同时燃烧，最后还应留出足够的空间保障空气吸入无阻碍。

为此采用了4层倒塔形喷嘴布局（图3），其中第一层（底部）17根，第二层18根，第三层30根，第四层38根，共计103根，总处理气量30.9×104m3/d。

每一层配备4个长明火炬，总共16个，确保点火可靠，长明火炬防爆防水，可以在恶劣的气候条件下点燃，设有测温铠装式热电偶，通过检测温度及时把长明火燃烧情况反馈给地面控制系统。

2.3 控制系统

控制系统由电动阀、传感器、РLC远程控制柜和计算机控制软件组成。

对每一层喷嘴采用分压控制方式进行控制，天然气进入火炬区后分为4路，由电动阀控制，分别进入燃烧器喷嘴的第一层、第二层、第三层和第四层进行燃烧。整套装置在自动点火系统的集中监控下自动运行（图4）。

燃烧器喷嘴和点火器由压力变送器作为触发条件进行控制，当压力高于点火设定值时，点火器启动点燃长明火并正常燃烧；当压力高于第一层燃烧器喷嘴阀门设定值时且长明火正常燃烧时，自动打开第一层燃烧器阀门，天然气进入第一层燃烧器喷嘴进行燃烧；当压力高于第二层燃烧器喷嘴阀门设定值且长明火正常燃烧时，自动打开第二层燃烧器喷嘴阀门，天然气由第一、二层燃烧器喷嘴同时进行燃烧；当压力高于第三层燃烧器喷嘴阀门设定值且长明火正常燃烧时，自动打开第三、四层燃烧器喷嘴阀门，天然气由第一、二、三、四层燃烧器喷嘴同时进行燃烧。

压力低于哪一层燃烧器喷嘴阀门下限，该层燃烧器喷嘴阀门就会关闭，如当压力低于第四层燃烧器喷嘴阀门下限时，第四层燃烧器喷嘴阀门关闭，依次类推；当压力低于长明火下限时，则关闭长明火。4层燃烧器喷嘴根据压力变动自动燃烧，实现尾气的稳定放空，防止火炬的频繁启、停。

3 现场应用

3.1 试验井及燃烧简况

试验井位于重庆市永川区，为一口水平井，完钻井深 3 945.12 m/5 844.00 m（垂深 /斜深），试油层位为下志留统龙马溪组，采用分簇射孔＋可溶桥塞分段压裂工艺，分段数为30段。

在放喷口见气并远程点火燃烧，随后开始使用该密闭燃烧器。为了对比密闭燃烧器的效果，在天然气放喷测试期间，一部分天然气在燃烧池点火燃烧，另一部分天然气则采用密闭燃烧器燃烧。期间随着地层液体的排出，井口产气量会逐步增大并趋于稳定，因此本次试验分为两个阶段（包括小产气量阶段和正常放喷阶段）进行，间断使用密闭燃烧器6 d，共约35 h。其中小产气量阶段放喷测试持续4 d，选取其中的2 d开展密闭燃烧器试验，间断使用密闭燃烧器约15 h；正常放喷阶段持续25 d，选取4 d开展密闭燃烧器试验，间断使用密闭燃烧器约20 h。

3.2 试验过程

3.2.1 小产气量阶段

在初期由于单井产气量较低，燃烧器仅第一层和第二层燃烧头打开。现场测量数据如图5所示，试验井平均产气量为17.9×104m3/d，其中一部分天然气（9.0×104m3/d）分流到现场燃烧池燃烧，另一部分（8.9×104m3/d）分流进入燃烧器燃烧；20 m处噪声平均为41 dB，温度平均为21.2 ℃，与环境温度无差异；现场情况如图6所示，火焰燃烧不可见，无黑烟出现。

图5 放喷初期环境温度和噪声随燃烧器处理气量变化曲线图

3.2.2 正常放喷阶段

正常放喷期间，第一层、第二层、第三层和第四层燃烧器喷嘴全部打开。现场测量数据如图7所示：试验井平均产气量为54.3×104m3/d，通过分流进入燃烧器的气量为29.3×104m3/d；20 m处噪声平均为78.6 dB，最大为 83.9 dB；温度升值 28.6 ℃后无变化，与大气环境温差9.2 ℃（测试时为夜间，环境温度为19.4 ℃）；现场火焰燃烧略微可见，无黑烟出现。