CN110220191A - 进风量可控的放喷燃气燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种进风量可控的放喷燃气燃烧器，包括基座、外套筒以及燃料喷头，外套筒两端分别为进风口和出料口，燃料喷头位于外套筒内部，燃料喷头上设置有诸多燃料喷孔，各燃料喷孔朝向外套筒的出料口；进风口上设置有进风量调节组件，进风口量调节组件用于调节进风口的开启幅度。在上述技术方案中，本发明提供的进风量可控的放喷燃气燃烧器，其具有以下技术效果：消除了外套筒内部气流转向和共振；外套筒两端开口，降低乃至消除外套筒被烧坏的现象利用燃料喷孔产生的速度带来大量的氧气助燃，提升燃烧效率，减少冒黑烟现象。对不同情况下的燃料进行适应性调节。

Description

进风量可控的放喷燃气燃烧器

技术领域

本发明涉及石油钻探技术，具体涉及一种进风量可控的放喷燃气燃烧器。

背景技术

油气井测试时产生的油气不能大量存储和通过其他方式运走，必须通过放喷(Well Testing)燃烧器进行燃烧处理。

图1为现有技术中放喷燃烧器的侧视图，图2为现有技术中放喷燃烧器的主视图，如图1-2所示，现有技术中的放喷燃烧器包括一端开口的另一端封闭的外套筒4’，外套筒4’内设置有燃料喷头2’，燃料喷头2’上设置有多个沿着外套筒4’径向布置的燃料喷孔3’，一般而言，燃料喷头2’上开设5排环向燃料喷孔3’，每排8个燃料喷孔3’。工作时，燃料经环向的燃料喷孔3’射流进入密闭的圆筒状的外套筒4’中，再垂直转向外套筒4’的出口喷出后，才能与外界空气接触，点燃燃烧。目前，大多数放喷燃烧器需要燃烧的天然气介于50万方至100万方之间，上述现有的放喷燃烧器，日产50万方天然气时，过燃烧器的燃料喷孔3’流速约为293.62m/s，过燃烧器外套筒4’的出料口6’流速约为11.19m/s。肉眼可见：火焰喷出后立即向上燃烧，火焰高度约在8-10米；日产100万方天然气产量时，过燃烧器的燃料喷孔3’流速约为683.45m/s，过燃烧器外套筒4’出口流速约为26.04m/s，肉眼可见：火焰喷出后立即向上燃烧，火焰高度约在12米。

现有技术的不足之处在于，由于外套筒4’内部燃料喷孔3’高速喷射形成高频射流噪音(尖锐啸叫声)，并于外套筒4’内部极易形成共振，放大噪声，同时外套筒4’出口流速较低仅为11m/s左右，燃料大截面低速喷射动能较小，与外界空气混合状态较差，以扩散燃烧方式燃烧着火点离外套筒4’出口不远处，并在浮力作用下，形成向上燃烧的火焰形式。此外由于外套筒4’内部无氧气供应，着火点根部热量较低，火焰根部不稳定，湍流脉动相对较大，受环境影响较为剧烈，且由于后部冷空气无法进入外套筒4’内部给予降温，会导致外套筒4’在高温辐射下变形损坏。

图3和图4所示为现有技术中的放喷燃烧器几何建模及放喷流线图和喷口局部流线图，图5和图6分别为放喷燃烧外部温度分布云图和放喷燃烧器外部火焰形态，如图3-6所示，根据放喷燃烧器燃烧火焰大小及热辐射影响区域，设计足够大的计算区域内来研究放喷燃烧的具体过程。采用结构化网格进行离散化，建立了合适的几何网格模型。放喷燃料的整体速度流线和放喷头附近的局部速度流线，可以看出燃烧器内部径向燃料喷孔3’处流速较高，圆筒型外套筒4’内流速显著降低，喷出筒形喷口后，随即在浮力和燃烧反应的影响下改为向上流动过程，随着燃烧反应的进行，形成的烟气带动未燃尽燃料流速逐渐加快，呈现出垂直上升流动。正如上文速度分布分析，燃料流动及燃烧反应过程形成的高温区分布状态也呈现出，燃料流出外套筒4’外部出口附近就向上形成上升形态。此外，由于外套筒4’出口处速度较低，喷射燃料呈现出扩散燃烧状态，火焰根部离外套筒4’出口较近，且火焰飘忽不稳定。如图6所示，燃烧器外套筒4’喷口处外圈形成了一个1500K的高温环状火焰，极易导致燃烧器外套筒4’受热变形。

综上所述，现有技术中的放喷燃烧器具有如下不足之处：

其一，燃烧器燃料喷头2’径向的燃料喷孔3’处燃料喷射速度太高，日放喷量100万方时为600m/s以上，所形成的高频射流噪声无法避免；

其二，燃烧器圆形外套筒4’出口燃料喷射速度太低且无后部冷空气替换冷却，导致着火点太近形成较强热辐射烧坏燃烧器本体；

其三，外套筒4’出口喷射速度太低，动能较小无法形成有效的燃料与空气的充分剪切混合，无法形成预混燃烧状态，无法强化燃烧过程，目前的扩散燃烧状态容易受外界环境干扰燃烧效率不高，火焰根部不稳定，形成火焰刚性不足，流量变化或大流量放喷形成燃烧不充分碳粒析出，冒黑烟现象；

其四，油气测试过程中的需要燃烧的燃料数量波动范围较大，现有技术没有对应的气流调节结构，

发明内容

本发明的目的是提供

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种进风量可控的放喷燃气燃烧器，包括基座、外套筒以及燃料喷头，

所述外套筒两端分别为进风口和出料口，所述燃料喷头位于所述外套筒内部，所述燃料喷头上设置有诸多燃料喷孔，各所述燃料喷孔朝向所述外套筒的出料口；

所述进风口上设置有进风量调节组件，所述进风口量调节组件用于调节所述进风口的开启幅度。

上述的放喷燃气燃烧器，所述进风量调节组件包括中心轴和转动连接于所述中心轴上的多个调节板，各所述调节板在转动行程上具有封闭位置和进气位置；

在所述封闭位置，各所述调节板封闭所述进风口，在所述进气位置，各所述调节板至少部分重叠以使得所述进风口露出一部分。

上述的放喷燃气燃烧器，所述调节板为扇形板。

上述的放喷燃气燃烧器，所述扇形板有6个。

上述的放喷燃气燃烧器，所述外套筒的内孔中间径向尺寸小于两端的径向尺寸，所述外套筒从中间到两端径向尺寸逐渐变化。

上述的放喷燃气燃烧器，所述燃料喷头包括中心主筒体和连通与所述中心筒体上的多个径向支筒体，所述中心主筒体和各所述径向支筒体上均设置有多个燃料喷孔。

上述的放喷燃气燃烧器，各所述燃料喷孔位于所述外套筒内径向尺寸最小的位置。

上述的放喷燃气燃烧器，各所述燃料喷孔的中心轴线与所述外套筒的中心轴线呈外倾角布置。

在上述技术方案中，本发明提供的进风量可控的放喷燃气燃烧器，其具有以下技术效果：

其一，燃料喷孔沿着所述外套筒的轴线方向布置，消除了外套筒内部气流转向和共振，一定程度的削弱了噪音；

其二，外套筒两端开口，利用燃料喷孔产生的速度带来大量的高速气流，高速气流流经外套筒实现冷却，从而降低乃至消除外套筒被烧坏的现象；

其三，外套筒两端开口，利用燃料喷孔产生的速度带来大量的氧气助燃，提升燃烧效率，减少冒黑烟现象。

其四，通过进风量调节组件实现进风量的调节，从而对不同情况下的燃料进行适应性调节。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中放喷燃烧器的侧视图；

图2为现有技术中放喷燃烧器的主视图；

图3-4为现有技术中的放喷燃烧器几何建模及放喷流线图和喷口局部流线图；

图5-6现有技术中的为放喷燃烧外部温度分布云图和放喷燃烧器外部火焰形态图；

图7为本发明实施例提供的放喷燃烧器的侧视图；

图8为本发明实施例提供的放喷燃烧器的主视图；

图9为本发明实施例提供的管夹的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的管夹的部分结构示意图；

图11为本发明实施例提供的板件连接体和压紧件的结构示意图。

附图标记说明：

现有技术：

1’、燃气入口接管；2’、燃料喷头；3’、燃料喷孔；4’、外套筒；5’、燃烧器器支座；6’、出料口；

本发明：

1、燃气入口接管；2、进风量调节组件；3、燃料喷头；4、径向支筒体；5、外套筒；6、基座；7、出料口；8、燃料喷孔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图7-11所示，本发明实施例提供的一种进风量可控的放喷燃气燃烧器，包括基座6、外套筒5以及燃料喷头3，所述外套筒5两端分别为进风口和出料口7，所述燃料喷头3位于所述外套筒5内部，所述燃料喷头3上设置有诸多燃料喷孔8，各所述燃料喷孔8朝向所述外套筒5的出料口7；所述进风口上设置有进风量调节组件2，所述进风口量调节组件用于调节所述进风口的开启幅度。

具体的，基座6为高效放喷燃烧器的固定基准，一般为支架结构，可选的也可以是其它的金属或者混凝土基础结构，外套筒5固定于基座6上，外套筒5的两端开口，其一端的开口为进风口，另一端的开口为出料口7，燃料喷头3位于外套筒5中，燃料喷头3连接燃气入口接管1，通过燃气入口接管1将燃料如天然气输送至燃料喷头3，燃料喷头3上设置有多个燃料喷孔8，各燃料喷孔8沿着外套筒5的轴线方向布置，这里燃料喷孔8沿着外套筒5的轴线布置应做广义的理解，这里指的是：燃料喷孔8的中心轴线与外套筒5的中心轴线平行或者基本平行，如两者之间的夹角小于20度，也即通过燃料喷孔8喷出的燃料流直接冲向外套筒5的出料口7，而不是冲向外套筒5的内壁而在内部发生转向，从而减少共振，降低噪音的音量。

本实施例提供的高效放喷燃烧器，外套筒5的进风口处设置有进风量调节组件2，进风量调节组件2用于调节进风口的开启幅度，其具体结构可以参见现有技术中各类的风门结构，如风机上的开启幅度控制结构，最简单的，如百叶，又如进风口上活动连接有单片或者多片板材，滑动连接或者转动连接单片或多片板材，如单片板材完全覆盖进风口，其滑动或转动连接于进风口上，滑动或转动的过程调节覆盖进风口的程度，显然的，两片乃至更多的板材具有相同的技术效果。本实施例中，板材的调节可以手动式，也可以是自动式。板材的滑动和转动使得其覆盖进风口的面积不同，由此使得调节进风口的开启幅度，从而调节进风口的进气量。

本实施例提供的高效放喷燃烧器，使用时，燃料由燃料喷孔8喷出，基本沿着外套筒5中心轴线的方向喷出，其直接由出料口7予以喷出，由于燃料料的高速喷射，其同步的带动空气由外套筒5的进风口高速进入，随后由外套筒5的出料口7高速喷出，即外套筒5出料口7喷出的为空气与燃料流的混合物，随后，该混合物在外套筒5的外侧被点燃，实现放喷燃烧。同时，每次放喷前，根据需要燃烧的燃料的量，事先调节进风量调节组件2到相应的幅度，从而控制进风口的进气量。

在上述技术方案中，本发明提供的进风量可控的放喷燃气燃烧器，其具有以下技术效果：

其一，燃料喷孔8沿着所述外套筒5的轴线方向布置，消除了外套筒5内部气流转向和共振，一定程度的削弱了噪音；

其二，外套筒5两端开口，利用燃料喷孔8产生的速度带来大量的高速气流，高速气流流经外套筒5实现冷却，从而降低乃至消除外套筒5被烧坏的现象；

其三，外套筒5两端开口，利用燃料喷孔8产生的速度带来大量的氧气助燃，提升燃烧效率，减少冒黑烟现象。

其四，通过进风量调节组件2实现进风量的调节，从而对不同情况下的燃料进行适应性调节。

本发明提供的放喷燃气燃烧器，如图9-11所示，优选的，所述进风量调节组件2包括中心轴和转动连接于所述中心轴上的多个调节板，所述调节板为扇形板，根据实际需求扇形板为4个乃至几十个，如6个，其中部分扇形板可以以中心轴转动，转动后实现重合，各所述调节板在转动行程上具有封闭位置和进气位置；在所述封闭位置，各所述调节板的边缘一一连接封闭所述进风口，在所述进气位置，各所述调节板至少部分重叠以使得所述进风口露出一部分，如此实现对进风口的开启幅度的调节。

本发明提供的另一个实施例中，进一步的，所述外套筒5的内孔中间径向尺寸小于两端的径向尺寸，也即外套筒5中间区域的径向尺寸较小，而两端较大，外套筒5内的通孔中心细两端粗，所述外套筒5从中间到两端径向尺寸逐渐变化，也即从中间到两端平滑过渡，如此设置的作用在于，空气被高速喷射的燃料流驱动由进风口进入，出料口7排出，中间细两端粗的结构使得气流形成中间相对高速，两端相对低速的流动形态，如此便于对燃料喷孔8处的燃料流的高速喷射，而喷射后相对低速发散的空气流便于与燃料流进行混合。

本发明提供的再一个实施例中，更进一步的，所述燃料喷头3包括中心主筒体和连通与所述中心筒体上的多个径向支筒体4，所述中心主筒体和各所述径向支筒体4上均设置有多个燃料喷孔8，中心主筒体连通燃气入口接管1，各径向支筒体4连通于中心主筒体上，优选的，所述径向支筒体4的数量介于8-12个，最优选的，为10个，通过多个径向支筒体4分散均匀的喷出燃料流，如此便于燃料与空气的充分混合。

更优选的，各所述燃料喷孔8位于所述外套筒5内径向尺寸最小的位置，也即燃料喷孔8喷出处的燃料流处于空气流速度最大的位置，如此最大化的利用空气的最大流速。

再进一步的，各所述燃料喷孔8的中心轴线与所述外套筒5的中心轴线呈外倾角布置，这里外倾角指的时，各燃料喷孔8的中心轴线朝着背离外套筒5的中心轴线的方向延伸，也即各燃料喷孔8喷出的燃料流离外套筒5的中心轴线的距离逐渐变大，诸多燃料喷孔8作为一个整体喷射出的燃料流束整体呈发散状，呈根部径向尺寸最小，随后逐渐变大的燃料流束，提升混合的空气量，进而提升燃料效率，优选的，所述外倾角介于10-20度之间。所述燃料喷孔8的数量介于40-60个。

燃料喷头3改为多分支结构，并在每个径向支筒体4上设置多个向外有一定倾角的燃料喷孔8，变径向喷射为向外套筒5的出料口7喷射，同时增加燃料喷孔8数目，降低燃料喷孔8射流速度，减少射流噪音。

把外套筒5的改为两端开口式设计，在外套筒5内壁增设文丘里结构，通过燃料喷孔8前高速射流在文丘里喉管部结构处形成负压引射燃烧器后部冷空气向前进入燃烧器的外套筒5内部，冷却燃料喷头3和外套筒5保证高温热辐射下的冷却抑制高温辐射对燃烧器本体的不良影响。

通过的多分支多燃料喷孔8燃料前向喷射与外套筒5内的文丘里管结构，强化燃料与空气的预混状态，在外套筒5内部形成高混合状态的燃料空气混合物后，一同高速喷射出到外套筒5外部，所形成的火焰根部可以远离外套筒5出口，同时预混燃料的高效燃烧可以形成高刚性根部燃烧火焰，有效向射流方向延伸，然后再在浮力作用下逐渐向上燃烧。减少燃烧不完全的冒黑烟和火焰对燃烧器本体的热辐射损害。

通过三片式可旋转风门，控制进入外套筒5尾部的空气流通截面积为0～67％。在不同放喷燃烧过程中，均可以根据放喷环境及放喷量级利用后部的三片式可旋转风门控制燃料负压引射进入燃烧器外套筒5内部的冷空气对燃烧火焰根部的冲击，控制火焰燃烧的稳定性。

设置10个径向分筒体，每分支4～5燃料喷孔8并向前15～17度偏斜喷射。把外套筒5内部增设耐火材料，外部5mm钢板，并在外套筒5尾部开孔形成通孔，通过利用前端燃料喷射能量，负压引射空气倍增技术，使外套筒5内部与燃气混合形成局部预混燃烧，强化燃烧，提高火焰刚性及火焰稳定性。并采用三片式可旋转孔板构成尾部可调风门结构，控制进入外套筒5尾部的空气流通截面积为0～67％连续可调，在不同放喷燃烧过程中，均可以根据放喷环境及放喷量级利用后部的三片式可旋转风门控制燃料负压引射进入燃烧器套筒内部的冷空气对燃烧火焰根部的冲击，控制火焰燃烧的稳定性用外套筒5内部高速射流燃料气形成负压引射倍增后部空气来冷却燃烧器本体，防止燃烧器受热变形。此外对于噪音控制，通过准确计算过燃料喷孔8气速减少射流噪声和燃烧噪声。燃烧器后部风门内壁可以设置50～100mm厚度轻质耐火浇注料夹层形成消音装置。在50～100万方/天放喷工况下。通过实验可以看到，燃烧器喷头过孔流速降低到163～327m/s之间，有效地减少了射流噪音的生成。同时新型多分支喷头形成多股射流可以和空气形成较好的剪切混合，形成预混高效燃烧状态，提高了燃烧效率，同时向前射流是的燃烧器火焰由绵软的向上燃烧改为远离燃烧器本体的向前喷射高刚性火焰燃烧状态。同时高速射流形成负压引射又通过后部冷空气的补充降低了燃烧器本体的温度，再附加三片可调风量风门结构，满足不同环境下不同放喷量时的稳定高效燃烧。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种进风量可控的放喷燃气燃烧器，包括基座、外套筒以及燃料喷头，其特征在于，

所述外套筒两端分别为进风口和出料口，所述燃料喷头位于所述外套筒内部，所述燃料喷头上设置有诸多燃料喷孔，各所述燃料喷孔朝向所述外套筒的出料口；

所述进风口上设置有进风量调节组件，所述进风口量调节组件用于调节所述进风口的开启幅度。

2.根据权利要求1所述的放喷燃气燃烧器，其特征在于，所述进风量调节组件包括中心轴和转动连接于所述中心轴上的多个调节板，各所述调节板在转动行程上具有封闭位置和进气位置；

在所述封闭位置，各所述调节板封闭所述进风口，在所述进气位置，各所述调节板至少部分重叠以使得所述进风口露出一部分。

3.根据权利要求2所述的放喷燃气燃烧器，其特征在于，所述调节板为扇形板。

4.根据权利要求3所述的放喷燃气燃烧器，其特征在于，所述扇形板有6个。

5.根据权利要求1所述的高效放喷燃烧器，其特征在于，

所述外套筒的内孔中间径向尺寸小于两端的径向尺寸，所述外套筒从中间到两端径向尺寸逐渐变化。

6.根据权利要求5所述的高效放喷燃烧器，其特征在于，所述燃料喷头包括中心主筒体和连通与所述中心筒体上的多个径向支筒体，所述中心主筒体和各所述径向支筒体上均设置有多个燃料喷孔。

7.根据权利要求6所述的高效放喷燃烧器，其特征在于，各所述燃料喷孔位于所述外套筒内径向尺寸最小的位置。

8.根据权利要求6所述的高效放喷燃烧器，其特征在于，各所述燃料喷孔的中心轴线与所述外套筒的中心轴线呈外倾角布置。