試氣測試用燃燒池天然氣燃燒數值模擬

熊紹專　何川　陳健　袁萍　喬文友

摘要：天然氣試氣測試過程中傳統燃燒池存在墻體拉裂和熔化的安全隱患，且無法滿足長時間的放噴燃燒要求。選擇合適的燃燒模型對多個工況下天然氣放噴燃燒進行了數值模擬計算，分析了燃燒池的尺寸、入口流量和壁面材料的導熱系數等對燃燒池壁面溫度、流速分布的影響。結果表明：固定噴管位置時，燃燒池尺寸和入口流速對燃燒池壁面最高溫度和溫度分布影響較大；導熱系數變化對內壁溫度變化影響較小，但對高溫區分布影響很大。研究結果可供耐火材料的篩選及燃燒池的優化設計參考。

關鍵詞：天然氣 試氣測試燃燒池 數值模擬 半封閉空間

中圖分類號：TE272文獻標志碼：A文章編號：1671-8755（2023）04-0073-07

Numerical Simulation of Natural Gas Combustion in Combustion Cell for Gas Production Test

XIONG Shaozhuan1， HE Chuan1， CHEN Jian2，YUAN Ping3， QIAO Wenyou1

Abstract：? The existing combustion cell mainly built with traditional refractory brick not only poses a potential safety hazard（the wall cracks and melts， for instance）， but also cannot meet the continuous blow out requirements. Numerical simulation calculation of the injection combustion under multi-operating conditions was conducted by using appropriate turbulent combustion model， and the effects of the size of the combustion cell， the inlet flow and the thermal conductivity of the material on the wall temperature and velocity distribution of the combustion cell were analyzed. The results show that? when the nozzle position is fixed， the size and inlet flow rate have a greater influence on the maximum temperature and temperature distribution on the inner wall of combustion cell; The change of thermal conductivity has less effect on the temperature change of inner wall but significant influence on the distribution of high-temperature areas. This paper provides references not only for selecting the potential refractory material but also for guiding the optimal design of combustion cell.

Keywords：? Natural gas; Gas production test; Numerical simulation; Semi-confined space

試氣放噴是天然氣勘探開采過程中必不可少的一道工序。傳統放噴手段是在井場之外的安全區域采用耐火砂漿砌筑耐火磚（頁巖磚等）建造一個燃燒池，采取點火燃燒完成試氣及測試作業。現階段頁巖氣等非常規氣藏試氣測試作業中也主要采用傳統燃燒池對地層產出的天然氣進行放噴燃燒。川渝地區天然氣儲量豐富，2020 年起天然氣產量重回全國天然氣主產區首位，中國石化和中國石油陸續在涪陵、威榮、永川、長寧、威遠和昭通等鉆探獲得高產頁巖氣田，新增探明儲量還在不斷增加，潛力巨大［1］。據統計，中國石油川西北氣礦公司在川渝地區每年開采的油氣井150～200口，每一口油氣井需要配套修建燃燒池1～2個，每個燃燒池建造成本11～14萬元，燃燒池每年的建造成本 3 000～4 000萬元。現有燃燒池采用耐火砂漿砌筑頁巖磚的傳統方式，池體修建位置偏遠，普遍存在材料運輸條件差、施工工期長、人工砌筑施工風險高等情況，所以有必要研究施工安全、便利、快速的裝配式燃燒池需要的材料。此外，鉆完井放噴測試后，傳統砌筑燃燒池常出現翼墻拉裂或部分池墻熔化的情況（圖1），存在安全隱患，無法滿足長時間放噴要求，嚴重影響天然氣開采工程的正常運行。為了滿足放噴作業安全要求，對天然氣燃燒池放噴燃燒的深入研究十分必要，這也是裝配式燃燒池的結構設計和耐高溫材料優選的關鍵。

國內外諸多學者對試氣測試過程中天然氣放噴燃燒開展了一系列研究。燃燒模型方面，Orsino等［2］采用天然氣的渦破碎模型、渦耗散概念模型和概率密度函數模型評估了湍流模型對天然氣高溫燃燒性能的影響。Su等［3］采用參數修正的渦破碎模型和帶有三步反應的氣態烴類總包機制來模擬 2.00 m×2.00 m×6.25 m 工業爐內的高溫空氣燃燒過程，CFD數值模擬驗證表明參數修正的渦破碎模型能提高對工業爐內高溫空氣燃燒火焰和排放的模擬精度。Yilmaz［4］采用天然氣的渦耗散模型研究了旋流數對天然氣擴散火焰中的溫度、流速和氣體濃度的影響。Hosseini等［5］采用渦耗散模型研究了甲烷-空氣擴散火焰進氣口渦流數對流體動力學特性、溫度和輻射熱通量分布的影響。天然氣燃燒動力學機制方面，左哲等［6］通過構建天然氣燃燒動力學機制定量研究了受限空間內天然氣反應動力學特征。程欣等［7］對頁巖氣氣井測試大流量放噴時燃燒產生的高熱輻射做了研究，采用RSM湍流模型、簡化的甲烷-氧氣2步反應組分輸運模型對頁巖氣測試燃燒器放噴燃燒過程進行數值模擬。天然氣數值模擬方面，許考等［8］運用計算流體力學（CFD）二維模型研究預混天然氣在小尺度空間內燃燒及墻壁的導熱系數、外部的熱損對燃燒特性的影響，分析了溫度對燃燒器的影響。楊仲卿等［9］對頁巖氣的燃燒器燃燒特性進行研究，利用數值模擬方法研究了過量空氣系數等對頁巖氣燃燒的溫度分布特性的影響規律。楊亞等［10］ 利用計算流體動力學分析軟件對開敞空間大體積天然氣爆炸進行了數值模擬，為建筑物的安全設計提供參考依據。李晶晶等［11］ 利用大渦模擬軟件FDS對油氣傳輸區因管線油氣泄漏引發的火災事故進行數值模擬，分析了泄露噴管處噴射火的溫度和熱輻射的空間分布。魏超南等［12］基于CFD理論對建立海上鉆井平臺井噴天然氣爆炸事故風險預估模型，對不同工況下井噴天然氣爆燃特性進行模擬，評估高溫燃燒火焰對平臺結構設備性能的損害。賈惠芹等［13］采用FLUENT分析了放噴管內氣液兩相流流場的相關特性，得到了不同相比例條件下的管內壓力、速度分布規律以及氣液兩相分布規律。劉偉等［14］ 進行了室外開放空間油池火燃燒實驗研究與數值模擬，獲得燃燒速率、火焰溫度的實驗數據，并使用FDS建立全尺寸模型對火焰溫度和測點熱輻射通量進行模擬。李修峰等［15］以平臺井口天然氣泄漏為例，建立數值模型，分析了泄露可燃氣云燃燒發展過程及高溫、熱輻射的危害性。錢新明等［16］采用FLUENT模擬了含硫天然氣井放噴后燃燒池內的流場與濃度場，確定天然氣有效點火位置范圍，為點火設備建設提供理論技術支持。楊光煉等［17］結合川渝地區油氣田實際情況，研發了集成“密閉燃燒裝置在井場內燃燒放噴天然氣體”的試氣安全環保配套測試技術，為高效低污染的試氣測試作業提供了支持。劉飛等［18］根據密閉燃燒裝置采用特殊噴嘴結構設計的燃燒器對燃燒試氣放噴期間排放的天然氣燃燒性能做了研究，為燃燒池天然氣連續放噴點火提供了技術支持。上述天然氣燃燒實驗理論研究主要面向天然氣燃燒細分方向的數值模擬或試氣測試作業新技術的研發，針對試氣測試用燃燒池耐火材料的天然氣燃燒研究很少。

在前人研究的基礎上，本研究選擇合適的燃燒模型對試氣放噴過程中天然氣燃燒特性進行CFD數值模擬計算，討論燃燒池的尺寸、噴管流量和墻體耐熱材料的導熱系數對燃燒池內壁面流場溫度、流速的影響，以期為天然氣高壓噴射燃燒過程中燃燒池壁面耐熱材料篩選和后續沖擊動力學的研究提供參考，為裝配式燃燒池的優化設計提供理論支持。

1 數值模型

1.1 幾何結構和網格劃分

中國石油川西北氣礦在川渝地區為油氣井配套修建的標準燃燒池有A和B兩種構型，A型燃燒池內墻尺寸13.3 m×4.6 m×3.5 m，設置為兩層，墻壁上層厚度60 cm，墻壁下層厚度100 cm（圖2（a）），分別采用一根和兩根進氣管，后文簡稱為A1型池和A2型池。B型燃燒池內墻尺寸為7.00 m×4.36 m×3.00 m，墻壁厚度為51 cm。

本文分別選取520萬、630萬、750萬網格進行網格無關性驗證，發現這3種網格數值模擬結果差異較小，尤其是后兩者模擬結果給出的溫度幾乎相同，為了兼顧計算精度和計算耗時，采用630萬網格進行數值模擬。

采用通用軟件ICEM生成630萬結構化網格，如圖2所示。由于需要考慮燃燒池外部空間區域，建立一個50 m×50 m×50 m的外部計算區域（圖2（b）），外部計算區域采用較為粗糙的網格。此外考慮模型的對稱性，以燃燒池中間剖面為對稱面對模型進行切分，由于放噴管結構為左右對稱，建立的計算域也為左右對稱結構，故放噴管及計算域均可建立一半模型，數值模擬計算后，通過對稱性可得到整個流場的情況，通過減少網格的劃分，可以減少計算機機時消耗。噴管如圖2（c）所示，交叉排列3排圓孔和2排圓孔近似表示實際放噴裝置表面上分布的多排密集圓形孔，放噴裝置沿來流方向的末端出口為天然氣流入的主出口。根據中國石油試氣放噴用燃燒池（放噴池）安全使用要求，放噴管末端深入池內距離均不超過燃燒池長度的1/3，噴管末端深入B型和A型燃燒池距離分別為1.8 m和4.0 m。

1.2 求解方法及邊界條件

計算區域內天然氣-空氣混合燃燒涉及的流動、傳熱和化學反應三者相互作用可以采用氣體燃燒基本方程組來描述。氣體燃燒基本方程組包含連續性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程。由于本項研究天然氣放噴燃燒屬于亞音速的湍流燃燒，需要選擇合適的湍流模型來準確模擬求解。湍流燃燒模型多種多樣，不同的湍流模型包含著不同的計算方程，求解時間差異較大。LES模型盡管精度比雷諾平均類的k-ε模型、k-ω模型精度高得多，應用于天然氣長時間放噴燃燒計算耗費難以承受。試氣測試用天然氣燃燒選擇k-ε模型在計算耗時和模擬結果精度上是可以接受的。對流通量采用SIMPLE算法，輻射換熱采用Do模型。天然氣湍流-化學反應相互作用模型采用EDD模型。天然氣主要成分是甲烷，天然氣機制模型采用甲烷-空氣的兩步反應機制在極大降低計算耗時的同時，預測出的溫度誤差也小于燃燒池壁面選材允許溫度誤差范圍，其詳細的化學反應動力學參數按照FLUENT 程序庫提供的數據給定。

燃燒池壁面為壁面邊界，小圓管為甲烷運輸管道（由于不考慮天然氣在長輸管道內運輸的情況，把管道區域進行挖空處理），將管道伸入燃燒池內部的端面設為速度入口。外部計算域邊界，底面是壁面，其他面是壓力出口邊界。

靜壓為0（一個標準大氣壓，101.325 kPa），組分甲烷和氧氣濃度分別為1.00，0.21 mol/L。數值模擬初始溫度取常溫15 ℃，耐火磚采用頁巖磚，其常溫下導熱系數取平均值0.70 W·（m·K）-1。隨著燃燒的進行，環境溫度激增，高溫下頁巖磚導熱系數采用1.50 W·（m·K）-1。A型和B型燃燒池入口流量分別采用70 萬m3/d和100萬m3/d，換算成入口流速分別為255.10，178.60 m/s。模擬計算邊界條件如表1所示。

2 結果與討論

2.1 燃燒池尺寸和初始流速對壁面溫度的影響

圖3為燃燒池內壁面上的溫度云圖。從圖3可知，A1型池內壁面溫度分布呈從上到下逐漸層次性升溫，高溫區位于壁面下半區，最高溫達1 396 ℃，這與在燃燒池后墻晶體熔化實驗中測得的溫度約1 400 ℃ 的結論基本一致。而B型池溫度從上到下階梯式遞減，高溫區在燃燒池壁面上1/3區，最高可達1 835 ℃，主要由于B型池的噴管出口距離后墻壁的距離比A型池更近。查閱常見建筑耐火材料的成分及其使用溫度，常規的黏土類耐火磚最高使用溫度1 150～1 350 ℃，以磷酸鹽類水泥為主體的耐火砂漿最高使用溫度不超過1 400 ℃， B型池高達1 835 ℃ 的墻面溫度，即使是造價更貴的硅鋁類或鎂質類的耐火磚也很難滿足要求，結構設計時基本上排除該尺寸的燃燒池。

圖4給出了燃燒池后墻外壁面溫度云圖。總體上看A1型池和B型池的最高溫均較小且相差不大。B型池的后墻高溫區主要集中于后壁面上邊，最高可達 95 ℃，而A型池在兩層交界處溫度最高，可達159 ℃，墻體導熱系數一樣的情況下，外墻壁面溫度受內側溫度的影響很大，故A型池的后墻外側壁面溫度高于B型池。而在燃燒池側墻外側壁面上的溫度場分布基本和后墻類似， B型池側墻高溫區分布較A1型池區域更大。整體上看后墻溫度都不高，這為裝配式燃燒池的背火面支撐材料的選擇提供了理論指導。

此外，考慮到氣流對墻體沖擊力的可能性，我們簡要分析了A1型池和B型池中心截面上的流場分布，速度云圖如圖5所示。從圖5可以看出，后墻和側墻內側墻面附近的流場速度均趨近于0，符合邊界層效應。

2.2 導熱系數對壁面溫度的影響

A2型池在相同尺寸、相同流量下，墻體頁巖導熱系數分別取 0.70 W·（m·K）-1 與 1.50 W·（m·K）-1，比較墻壁溫度變化，其他邊界條件設置見上文。

圖6為A2型池不同導熱系數時內壁面溫度云圖。從圖6可以看出，在不同導熱系數下溫度分布的差異主要體現在后墻壁壁面下二分之一區，而上半部分基本相當，溫度總體呈階梯式下降，但導熱系數為0.70 W·（m·K）-1 的燃燒池壁面在該處中心周圍的溫度明顯低于導熱系數為1.50 W·（m·K）-1燃燒池的壁面。在內側導熱系數變化引起的墻壁壁面溫度差異較小。

圖7為A2型池不同導熱系數時壁面外側溫度云圖。可以看出導熱系數為0.70 W·（m·K）-1的燃燒池外壁面低溫區分布區域大于導熱系數 1.50 W·（m·K）-1 的外壁面，兩者的最高溫度都出現在外壁面上下層交接處，分別到達176 ℃ 和201 ℃，最低溫度均出現在靠近壁面邊緣區域，均達到27 ℃。導熱系數1.50 W·（m·K）-1 外壁面溫度分布總體大于導熱系數為0.70 W·（m·K）-1 的外壁面溫度分布，這主要是由于導熱系數的不同導致墻壁傳熱存在差異，導熱系數越大，向后墻面傳熱更多，后墻壁高溫區域也就更大。

3 結論

選擇合適的燃燒模型對天然氣在燃燒池內的噴射燃燒進行了CFD數值模擬，得到如下結論：（1）尺寸和初始流量對壁面最高溫度和高溫區分布影響很大，壁面溫度隨著燃燒池尺寸的增加而減小，隨流量增加而變大。小尺寸B型池的內壁面溫度過高，常規的耐火材料很難滿足要求。（2）燃燒池內部流場由于邊界層效應，內側墻面附近的流場速度均趨近于零。（3）導熱系數變化對內壁溫度變化影響較小，但對高溫區分布影響很大，尤其是外側墻。放噴點火過程中，隨著燃燒的進行，壁面材料的導熱系數大，高溫區的分布和后墻溫度會顯著增加。

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收稿日期：2023-02-27；修回日期：2023-04-03

基金項目：中國石油西南油氣田分公司科技計劃項目（20210305-06）

第一作者簡介：熊紹專（1985— ），男，講師，研究方向為石油基燃料燃燒，E-mail： shaoruixiong@126.com