CN101144612A - 一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油田原油热采的撬装式超临界压力直流注汽锅炉，包括锅炉本体，锅炉本体分为辐射受热面和对流受热面，辐射受热面的水冷壁采用采用单管盘绕成的螺旋管圈圆，并紧贴炉墙，炉墙中心布置有燃烧器；对流受热面上方设置有烟囱，对流受热面是由单根对流受热管盘绕而成的蛇形对流管束，对流管束叉排布置；并且，对流受热面被分烟道隔板分成A、B两部分；由于该锅炉受热面采用了辐射受热面和对流受热面两级布置，采用分烟道设计思想，使烟气流通截面积变小，烟气流速进一步加快，对流换热系数加大，强化了传热，在给水水质的处理上采用除氧器和新型反渗透膜和EDI(电渗析)分离设备联合处理。

Description

一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉

技术领域

本发明属于锅炉制造技术领域，涉及一种油田高效热采系统，特别涉及一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉。

背景技术

水的临界状态点压力和温度分别为22.115MPa和374.15℃。通常认为蒸汽参数超过水的临界状态点压力和温度数值的锅炉称为超临界锅炉，随着蒸汽参数的提高，锅炉效率不断上升。目前国内外众多学者正致力于超临界及超超临界发电技术的研究及应用，与此相应的，到目前为止，绝大多数超临界压力蒸汽锅炉均用于火力发电厂，在其运行过程中，必须解决其蒸汽发生器受热管内的工质流量脉动、工质传热恶化、管内积盐、水质和水处理系统等问题。

在石油工业中，把蒸汽锅炉(注汽锅炉)产生的蒸汽注入油井中以提高采油率，是原油热采常用的方法之一。由于这种技术所需的出口蒸汽压力变化范围较大(从6MPa到20MPa)，所需的出口蒸汽干度变化也较大(从50％到100％)且需要撬装和便于运输，因此只有采用结构简单的直流锅炉才能满足这些要求。目前国内大多数注汽直流锅炉出口压力为亚临界压力。

中国专利申请(申请号200610042957.8)公开了一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，该锅炉辐射受热面水冷壁为直管盘绕而成，其承受载荷能力低，不能自由膨胀，且连接时需大量成形弯头。对流受热面虽成梯形布置，但其烟气流速仍然较低；工质进口设计在最尾部受热面，容易形成低温辐射。

为了进一步提高油田采油率，有必要研制开发超临界压力注汽锅炉。首先，出口压力的提高，意味着使用注汽锅炉可驱油深度的增加，该注汽锅炉可以更广泛地应用于深井油田；其次，提高工质的出口温度，可以有效地降低油田稠油的粘度，改善其流动性，增大原油产量。

发明内容

在综合考虑火电厂超临界压力直流锅炉所遇到的问题的基础上，本发明的目的在于，提出一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，该注汽锅炉在超临界压力注汽锅炉的受热面布置上采用了辐射受热面和对流受热面两级布置，工质与烟气流动方向总体是逆向流动。这样布置有利于提高换热，同时有效减少受热面的分级，使锅炉结构紧凑、实用，而且工质侧流动阻力较低，降低了克服阻力的能耗，提高了系统的经济性。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，包括锅炉本体的受热面，其特征在于，所述的锅炉本体的受热面分为辐射受热面、第一对流受热面和第二对流受热面，辐射受热面位于锅炉本体直径大的一边，辐射受热面的水冷壁采用单管盘绕成的螺旋管圈，并紧贴炉墙，前墙中心布置有燃烧器；第一对流受热面和第二对流受热面位于锅炉本体直径小的一边，第二对流受热面上方设置有烟囱，第一对流受热面和第二对流受热面是由单根对流受热管盘绕而成的蛇形对流管束，对流管束叉排布置；并且，第一对流受热面和第二对流受热面被分烟道隔板分成A、B两部分；第二对流受热面的一端设有进水口，第一对流受热面的一端设有出水口，第二对流受热面的出水口与第一对流受热面的进水口相连通，第一对流受热面的出水口与辐射受热面的进水口相连通，辐射受热面的另一端有蒸汽出口。

本发明的辐射受热面总体呈圆筒形，与长方形炉膛相比，其对称性提高，具有以下优点：

(1)可以保证炉膛水冷壁受热均匀，防止热偏差出现；

(2)可以防止烟气死区的出现，使得辐射受热区内烟气的流动更为顺畅，减少烟风阻力；

(3)圆筒形炉膛的结构强度、稳定性更好，更适应于频繁移动。

辐射受热面的水冷壁采用螺旋管圈，与直管水冷壁相比，具有以下有优点：

(1)具有螺旋环绕的结构特点，承受荷重的能力强，可以对炉墙起到支撑作用，无需槽钢箍固定，卧式放置时重心低下，稳定性好，便于运输；

(2)管子从炉膛下部开始螺旋盘绕炉膛四周，减少了因炉膛热负荷分布不均造成的吸热不均匀现象；

(3)避免了直管水冷壁所必需的大量成形弯头，降低了制造难度；

(4)螺旋管能自由膨胀，又大幅度减少了管子与管板的焊接，泄漏几率小，可靠性好。

螺旋管圈在高热流密度区域采用内螺纹管，与光管相比，具有以下有优点：

(1)工质在内螺纹的作用下形成强烈的旋转汽流，使中心汽流的水滴因离心力作用沉降到液膜上，推迟了蒸干现象的发生；

(2)近壁面的旋转汽流加强了对流动边界层和热边界层的扰动，减小了边界层的热阻，使管壁温度降低，起到强化传热的作用；

(3)内螺纹槽中的液膜不易被中心汽流卷吸携带；

(4)增大管子的内表面积，降低内壁热负荷。所以，采用内螺纹管，可以避免锅炉在亚临界压力运行下的膜态沸腾，推迟或避免超临界压力下类膜态沸腾的发生。

对流受热面中的直管段统一用推拉成形弯头连接，不仅在有限的空间尺度内布置了更多的受热面，保证了工质出口的高参数，而且使得整个系统本体尺寸减小，大大节省了所需的钢材，降低了成本。

同时，采用了分烟道设计，使烟气流通截面积变小，烟气流速进一步加快，对流换热系数加大，强化了传热，可用相对较少的受热面积达到要求的传热量，从而节省了钢材，同时烟速的加快使得受热面积灰减少。

为了减少炉墙的散热损失，提高锅炉的效率，本发明的炉墙采用了三层结构，分别为内层的由硅酸铝耐火陶瓷纤维板压制成的波纹板，中间层的保温层，最外层的防红外涂料。这种布置不仅具有优良的保温性能，而且整个炉墙轻便适用，方便运输和安装。

为了满足油田采油工作地点不断变化、注汽锅炉需要经常搬动的需要，本系统简化了受热面的布置，并采用直流式电站锅炉的设计思路，使工质一次性通过两级受热面。工质进口设计在对流受热面烟道连接处，此处烟温高于最尾部受热面。尾部受热面烟温最低，当工质流过尾部受热面时，工质已经过加热，提高了受热面的壁温，可以减轻低温腐蚀的程度。辐射受热面工质进口设计在炉膛尾部，避开了热负荷最大的燃烧器区域，有效防止了进口工质的传热恶化。

上述技术方案的实施，使得本发明的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉在运输和搬动时可以迅速地撬装，可方便快捷地应用于油田热采，无需使用起重机等大型动力设备。

本发明带来的技术效果是：

1、锅炉辐射受热面的布置

辐射受热面总体呈圆筒形，与长方形炉膛相比，其对称性提高，具有以下优点：

(1)可以保证炉膛水冷壁受热均匀，防止热偏差出现；

(2)可以防止烟气死区的出现，使得辐射受热区内烟气的流动更为顺畅，减少烟风阻力；

(3)圆筒形炉膛的结构强度、稳定性更好，更适应于频繁移动。

螺旋管具有空间利用率大，可自由膨胀及重心低优点，并且比直管有更佳的传热特性，是一种具有良好应用前景的高效换热管型。立式螺旋管圈水冷壁在电站锅炉上已有广泛应用，但未见有卧式螺旋管圈水冷壁在注汽锅炉上使用的报导。

辐射受热面水冷壁采用卧式螺旋管圈，与直管水冷壁相比，具有以下有优点：

(1)具有螺旋环绕的结构特点，承受荷重的能力强，可以对炉墙起到支撑作用，无需槽钢箍固定，卧式放置时重心低下，稳定性好，便于运输；

(2)管子从炉膛下部开始螺旋盘绕炉膛四周，减少了因炉膛热负荷分布不均造成的吸热不均匀现象；

(3)避免了直管水冷壁所必需的大量成形弯头，降低了制造难度；

(4)螺旋管圈能自由膨胀，又大幅度减少了管子与管板的焊接，泄漏几率小，可靠性好。

螺旋管圈在高热流密度区域采用内螺纹管，与光管相比，具有以下有优点：

(1)工质在内螺纹的作用下形成强烈的旋转汽流，使中心汽流的水滴因离心力作用沉降到液膜上，推迟了蒸干现象的发生；

(2)近壁面的旋转汽流加强了对流动边界层和热边界层的扰动，减小了边界层的热阻，使管壁温度降低，起到强化传热的作用；

(3)内螺纹槽中的液膜不易被中心汽流卷吸携带；

(4)增大管子的内表面积，降低内壁热负荷。所以，采用内螺纹管，可以避免锅炉在亚临界压力运行下的膜态沸腾，推迟或避免超临界压力下类膜态沸腾的发生。

2、锅炉对流受热面的布置

采用了分烟道设计思想，使对流受热面呈梯形布置，沿烟气流向其横截面不断缩小，这样设计最大程度地保证了横向冲刷对流管束的烟气流在各个截面上取得一致的烟速，使得对流受热管受热均匀。总体上使烟气流通截面积变小，烟气流速进一步加快，对流换热系数加大，强化了传热，可用相对较少的受热面积达到要求的传热量，从而节省了钢材，同时烟速的加快使得受热面积灰减少。

附图说明

图1是本发明的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉系统示意图；

图2是图1的俯视图。

图中的符号分别表示为：1、燃烧器，2、炉墙，3、辐射受热面，4、烟囱，5、对流受热管，6、第一对流受热面A，7、分烟道隔板，8、第二对流受热面B，9、锅炉底座，10、辐射受热面的进水口，11、第一对流受热面A进水口，12、第二对流受热面B出水口，13、第一对流受热面A出水口，14、第二对流受热面B进水口，15、蒸汽出口。

以下结合附图对本发明做进一步的详细描述。

具体实施方式

本发明的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，在设计实现的过程中，进一步解决其蒸汽发生器受热管内的工质流量脉动、工质传热恶化、管内积盐、水质和水处理系统等问题。所设计的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉应该尽量紧凑，不仅能满足采油工作地点不断变换的需要，而且要方便运输。

参见附图，本发明的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，包括锅炉本体的受热面，所述的锅炉本体的受热面分为辐射受热面3、第一对流受热面8和第二对流受热面6；辐射受热面3位于锅炉本体直径大的一边，辐射受热面3的水冷壁采用单管盘绕成的螺旋管圈，并紧贴炉墙2，前墙中心布置有燃烧器1；第一对流受热面8和第二对流受热面6位于锅炉本体直径小的一边，第二对流受热面6上方设置有烟囱4，第一对流受热面8和第二对流受热面6是由单根对流受热管5盘绕而成的蛇形对流管束，对流管束叉排布置；并且，第一对流受热面8和第二对流受热面6被分烟道隔板7分成A、B两部分；第二对流受热面6的一端设有进水口11，第一对流受热面8的一端设有出水口12，第二对流受热面6的出水口13与第一对流受热面8的进水口14相连通，第一对流受热面8的出水口12与辐射受热面3的进水口10相连通，辐射受热面3的另一端有蒸汽出口15。

炉墙2采用三层结构，分别为内层由硅酸铝耐火陶瓷纤维板压制成的波纹板，中间层为保温层，最外层为防红外涂料。

辐射受热面3为单管盘绕而成的一个螺旋管圈的圆筒体，其中燃烧器1在炉墙2中心布置，雾化后的燃油直接喷入炉膛迅猛燃烧。第一、二对流受热面为单管盘绕而成的蛇形对流管束，对流受热面管子两端插在管板上，在管板外侧焊上小弯头(一条环焊缝)，并在内侧采用了良好的绝热措施，防止管板被高温烟气烧坏。整个对流管束叉排布置。对流受热面为单管盘绕而成的蛇形叉排对流管束，沿着烟气流向流通截面渐缩，总体上成梯形，各直管段用推拉成形弯头连接。

同时，采用了分烟道设计思想，使第二对流受热面6进口段呈梯形布置，沿烟气流向其横截面不断缩小，这样设计最大程度地保证了横向冲刷对流管束的烟气流在各个截面上取得一致的烟速，使得对流受热管受热均匀。总体上使烟气流通截面积变小，烟气流速进一步加快，对流换热系数加大，强化了传热，可用相对较少的受热面积达到要求的传热量，从而节省了钢材，同时使得受热面积灰减少。热力计算表明，经过两级受热面，工质参数可达到超临界状态(压力为26MPa，温度为390℃)，锅炉排烟温度为220℃，不会在尾部受热面上产生低温腐蚀和堵灰现象，按照设计的参数，锅炉效率可以达到85％以上。

由于对流受热面都是由单管盘绕而成的，因此本发明采用了推拉成形弯头来衔接各个直管段。因为推拉成形弯头的弯曲半径比弯管机所弯成的半径小得多，所以受热面的布置更加紧密，能够在有限的空间内更有效地换热。运用此工艺，有如下两个优点：

(1)使锅炉本体尺寸大幅度缩小，不仅运输方便，且能满足油田施工频繁搬动的需要。

(2)在一定的尺寸内增加了受热面积，对流受热面的换热增强，大大降低了钢材消耗量。

在综合考虑安全性和经济性的基础上，本发明采用15CrMo合金钢材作为辐射受热面3的水冷壁螺旋管圈的钢材。15CrMo为国产钢种，可耐550℃高温，不仅满足壁温要求，而且价格便宜。

炉墙2一共由三层构成，最内层是由硅酸铝耐火陶瓷纤维压制成的波纹板，它们用铁丝穿在一起。由于整个炉墙2的重量由内层决定，而最内层的容重仅为250kg/m³，即为水容重的1/4，因此整个炉墙很轻，而且内层的硅酸铝耐火陶瓷纤维具有优良的耐热性，可耐1250℃的高温。中间层是保温层。为了进一步增强炉墙的保温性能，在炉墙最外层又涂了一层很薄的防红外涂料，它可以更有效地防止炉墙的红外辐射，提高锅炉效率，但不会增加整个锅炉的重量。

为了解决受热管内的积盐问题，本发明在给水水质的处理上采用了膜式除氧器和新型反渗透膜和EDI(电渗析)分离设备联合处理的方法。采用这种方案，使给水中各种盐类的含量均低于过热蒸汽中各种盐类的溶解度(与注汽锅炉出口处的超临界压力及温度相对应)，这样就不会在注汽锅炉受热管内积盐，而给水中的盐类将随蒸汽排入注汽井中。

Claims (3)

1.一种撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，包括锅炉本体的受热面，其特征在于，所述的锅炉本体的受热面分为辐射受热面(3)、第一对流受热面(8)和第二对流受热面(6)，辐射受热面(3)位于锅炉本体直径大的一边，辐射受热面(3)的水冷壁采用单管盘绕成的螺旋管圈，并紧贴炉墙(2)，前墙中心布置有燃烧器(1)；第一对流受热面(8)和第二对流受热面(6)位于锅炉本体直径小的一边，第二对流受热面(6)上方设置有烟囱(4)，第一对流受热面(8)和第二对流受热面(6)是由单根对流受热管(5)盘绕而成的蛇形对流管束，对流管束叉排布置；并且，第一对流受热面(8)和第二对流受热面(6)被分烟道隔板(7)分成A、B两部分；第二对流受热面(6)的一端设有进水口(11)，第一对流受热面(8)的一端设有出水口(12)，第二对流受热面(6)的出水口(13)与第一对流受热面(8)的进水口(14)相连通，第一对流受热面(8)的出水口(12)与辐射受热面(3)的进水口(10)相连通，辐射受热面(3)的另一端有蒸汽出口(15)。

2.如权利要求1所述的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，其特征在于，所述的炉墙(2)采用三层结构，分别为内层由硅酸铝耐火陶瓷纤维板压制成的波纹板，中间层为保温层，最外层为防红外涂料。

3.如权利要求1所述的撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉，其特征在于，所述的螺旋管圈在高热流密度区域采用内螺纹管。

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