CN102305404B - 补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器 - Google Patents
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Abstract
补燃式超临界压力燃气液两相燃料注汽发生器燃烧室补燃喷注器，涉及一种油田采油设备，气相接嘴1的内部通道中设有气相腔5和气相喷嘴6，液相接嘴2的内部通道中设有燃料喷嘴11，水接嘴3的内部通道中设有集液腔9和通水孔13；补燃喷注器壳体4的两个端面为球形端面15，气相接嘴1、液相接嘴2和水接嘴3与补燃喷注器壳体4连接；喉衬7与补燃喷注器壳体4连接；补燃喷注器壳体4夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间固紧。本发明改变了现有注汽发生器的燃烧方式，采用了补燃式燃烧方法，将原来集中在燃烧室顶部的一次性燃烧方式分成了预燃燃烧及补燃燃烧两个部分，并实现了气液两相燃料同时燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种油田采油设备，特别是涉及一种补燃式超临界压力燃气液两相燃料注汽发生器〔又称复合热载体发生器〕燃烧室的补燃喷注器装置。
背景技术
注汽发生器问世十余年来，已在国内大庆、胜利、辽河、新疆等几大油田的浅层油藏及高渗透中深层油藏进行了多井次先导试验。其试验结果表明，设备增油机理可行，可与现有多项采油工艺进行有机结合，并已取得一定增油效果。但随着油藏开发的不断深入，我国现已公开的几种复合热载体发生器已难以满足当前生产的需要，为适应更具普遍性的、储量更大的中深层和深层中低渗透油藏的应用需求，必须研制更大流量、更高压力的超临界压力注汽发生器。此外，由于国际柴油价格不断攀升，燃柴油注汽发生器的运行成本越来越高，该种设备的推广使用也已受到了严重制约。现有资料显示，如用天然气或油田伴生气作为燃料替代柴油，注汽发生器的每日运行成本将会降低2/3以上，即：如单台设备流量按1000米3/小时来计算，每日每台设备将可节约燃料费用1万元以上，年节约运行成本超过300万元。特别是油田伴生气，因其本身属于易燃易爆危险气体，当其产量不高，运输不便时，生产过程中大多就地收集燃烧（即我们常在油田地区看到的“火炬”）或用于稠油辅助伴热，从而造成了巨大的能源浪费。如能使用油田伴生气替代柴油，不但可以进一步降低设备运行成本，扩大市场应用，而且可以合理利用能量，充分节约能源，因此，采用新的燃料替代柴油也已势在必行。
在已公开发生器的设计中，注汽发生器燃烧室的设计通常采用扩散式燃烧方式，并且，所需空气和燃料均从燃烧室顶部一次性注入并参与燃烧。这样，当设备注入压力较低时，其火焰前锋前移，现有设备在一定周期内可以连续工作。但随着设备向油层注入压力升高，其燃烧压力不断增大，火焰前锋将会受到压缩并向燃烧室顶部逐渐趋近，从而造成靠近燃烧室顶部的火焰集中部位热负荷增大，辐射强度增加，并进而造成发生器燃烧室顶部、内衬、及火花塞等重要部件烧熔或损坏，并且，燃烧压力越高，烧损或毁坏现象越严重。而在油田生产中，注汽发生器的主要工作方式为气驱作业，即根据所注井的地质方案要求，从单井连续注入复合热载体，在保持注采平衡的条件下，从其它关联井连续采油。因此，要求设备流量大，注入温度和压力高，并保证连续工作。为此，现有发生器设备必须做出实质性突破。
在已公开的专利98203951.4《旋涡式喷嘴的复合热载体发生器》、02231765.1《燃气蒸汽发生器》及200510022594.7《亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统》中，采用了增设旋风器结构形成贫氧燃烧，降低燃烧室顶部附近的燃气温度的方案解决上述问题。但根据现场试验，上述方案虽然解决了原设计工况中燃烧室顶部的烧损或毁坏问题,但当发生器注入压力增高，流量加大并长期连续工作后，旋风器、燃烧室顶部及内衬等部件仍然出现较严重的烧损现象，并由此引发了燃烧偏心、内衬毁坏等后果，影响了设备正常运行。另外，在已公开的发明设计中，通常采用单相喷嘴，但因气液两相流体流量特性不同，其喷嘴设计要求存在较大差异，因此，以往的单相喷嘴往往无法同时满足两相流体的喷射特性要求，即无法满足气液两相燃料同时燃烧的设计理念，特别是无法改变原有发生器集中于燃烧室顶部的燃烧方式。
气液两相燃料同时燃烧的特点对油田伴生气的使用尤为重要，这是因为，在油田伴生气中，约有50%的成份经气体压缩机压缩后，在高压下将变成液态烃。要充分合理地利用油田伴生气，保证现场安全，注汽发生器必须能够同时燃烧气液两相燃料。天然气燃料同样具有两相燃料的特点，其与伴生气的区别仅在于其中压缩过程中产生的液态烃量相对较少，仅占10%左右，但为保证现场安全，同时节能环保，注汽发生器也必须具有可燃双相燃料的功能。
因此，改变现有燃烧方式，同时燃烧气液两相燃料，避免燃烧室顶部、内衬及火花塞等重要部件烧熔或损坏等，已经成为新的注汽发生器设计中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，改变原有发生器的燃烧方式，实现气液两相燃料同时燃烧，并根据需要采用多种冷却方式，避免燃烧室顶部、内衬及火花塞等重要部件烧熔或损坏，在各种状态下保护燃烧室的整体结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，包括有气相接嘴、 液相接嘴、水接嘴、补燃喷注器壳体、喉衬，其气相接嘴的内部通道中设有气相腔和气相喷嘴，液相接嘴的内部通道中设有燃料喷嘴，水接嘴的内部通道中设有集液腔和通水孔；补燃喷注器壳体的两个端面为球形端面，且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹及相应密封槽，其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹及密封槽；气相接嘴、液相接嘴和水接嘴3通过焊接方式与补燃喷注器壳体连接；喉衬与补燃喷注器壳体采用过盈插接的密封插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，包括有气相接嘴或液相接嘴、水接嘴、补燃喷注器壳体、喉衬，其补燃喷注器壳体上设有水接嘴、气相接嘴或液相接嘴，气相接嘴的内部通道中设有气相腔和气相喷嘴、或液相接嘴的内部通道中设有燃料喷嘴，水接嘴的内部通道中设有集液腔和通水孔；补燃喷注器壳体的两个端面为球形端面，且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹及相应密封槽，其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹及密封槽；气相接嘴和水接嘴通过焊接方式与补燃喷注器壳体连接；喉衬与补燃喷注器壳体采用过盈插接的密封插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，包括气相接嘴或液相接嘴、补燃喷注器壳体、喉衬，其补燃喷注器壳体上设有气相接嘴或液相接嘴，气相接嘴的内部通道中设有气相腔和气相喷嘴，液相接嘴的内部通道中设有燃料喷嘴，补燃喷注器壳体上设有集液腔和通水孔；补燃喷注器壳体的两个端面为球形端面，且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹及相应密封槽，其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹及密封槽；气相接嘴和水接嘴通过焊接方式与补燃喷注器壳体连接；喉衬与补燃喷注器壳体采用过盈插接的密封插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其所述的补燃喷注器上设有三个接嘴，分别为水接嘴、气相接嘴和液相接嘴，其中，水接嘴与供水管线连接，气相接嘴与气相燃料供气管线连接，液相接嘴与液相燃料供液管线连接。
所述的补燃式超临界压力燃气液两相燃料注汽发生器燃烧室补燃喷注器，其所述的补燃喷注器上设有两个接嘴，分别为水接嘴、气相接嘴或液相接嘴，其中，水接嘴连接供水管，另一个接嘴连接气相供气管或液相燃料供液管。
所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，所述的补燃喷注器上设有一个气相接嘴或液相接嘴，且连接气相供气管或液相燃料供液管。
所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，所述的预燃室冷却水经由集液腔，并在此与来自水接嘴的常温冷却水汇合，一并经过通水孔进入补燃室水冷却套。
所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，全部冷却水经由预燃室冷却水套、集液腔、通水孔进入补燃室水冷却套。
所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其补燃喷注器壳体上布置有若干冷却补燃喷注器的通水孔并与集液腔和补燃室冷却水套相通。
所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，所述喷注器喷射气相、液相或气液两相燃料，并配合预燃喷注器，做单相燃料补燃燃烧或气液两相燃料同时燃烧。
本发明的优点与效果是：
1、本发明改变了现有注汽发生器的燃烧方式，通过补燃式燃烧方法，将原来集中在燃烧室顶部附近的一次性燃烧分成了预燃燃烧及补燃燃烧两个部分，从而极好地保护了燃烧室的内部结构，从源头上避免了烧损及毁坏现象产生。
2、本发明通过其接嘴及喷嘴的组合设计，实现了气液两相燃料同时燃烧，并可根据需要更换喷嘴，自由切换所用燃料。
3、本发明通过增设集液腔及通水孔，同时改变冷却水流量及注入方式等方法，解决了预燃室、补燃喷注器及补燃室的连续再生冷却问题，增强了燃烧室的整体冷却效果，冷却方式灵活，调整方便。
4、本发明采用镶嵌式结构，其喉衬部位选用高温耐热合金制造，加工装配方便，可维修性好，可靠性高。
附图说明
图1为本发明补燃喷注器实施例1的D-D剖视面；
图2为本发明补燃喷注器实施例1的主视图；
图3为本发明补燃喷注器实施例1的E-E剖视图；
图4为本发明补燃喷注器实施例2-1的F-F剖视面；
图5为本发明补燃喷注器实施例2-1的主视图；
图6为本发明补燃喷注器实施例2-2的G-G剖视面；
图7为本发明补燃喷注器实施例2-2的主视图；
图8为本发明补燃喷注器实施例3-1的H-H剖视面；
图9为本发明补燃喷注器实施例3-1的主视图；
图10为本发明补燃喷注器实施例3-2的I-I剖视面；
图11为本发明补燃喷注器实施例3-2的主视图。
具体实施方式
下面参照附图所示实施例对本发明进行详细说明。
补燃式超临界压力燃烧室预燃喷注器有以下三种实施例。
实施例1：
如图1、图2、图3所示，图中构件为：气相接嘴1、 液相接嘴2、水接嘴3、补燃喷注器壳体4、喉衬7。
其中，气相接嘴1的内部通道中设有气相腔5和气相喷嘴6，液相接嘴2的内部通道中设有燃料喷嘴11，水接嘴3的内部通道中设有集液腔9和通水孔13；补燃喷注器壳体4的两个端面为球形端面15，且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹10及相应密封槽12，其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹8及密封槽14；气相接嘴1、液相接嘴2和水接嘴3通过焊接方式与补燃喷注器壳体4连接；喉衬7与补燃喷注器壳体4采用过盈插接或其它密封方式插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器夹装于预燃室与补燃室之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
本发明工作过程：
补燃式超临界压力燃气液两相燃料注汽发生器的燃烧室分成预燃室和补燃室两个部分。当设备正常工作时，其燃烧所需全部空气分成两路，其中一路通过预燃喷注器直接喷入预燃室与所喷入的部分气相或液相燃料掺混后进行贫油燃烧；另一路全部进入空气冷却套，经由其内衬上的多个切向喷嘴喷入预燃室，在其内壁上形成连续气膜，通过气流扰动防止火焰与空气冷却套内壁直接接触，同时掺混吸热，逐步降低燃烧温度和燃气比焓值，并与从补燃喷注器壳体4上的气相接嘴1、气相喷嘴6或液相接嘴2、燃料喷嘴11喷入的燃料进行补燃燃烧，由于未参与燃烧的空气在上述流动过程中进行了有效预热，连带提高了下一步补燃阶段的燃烧效率。与此同时，一部分冷却水从预燃室顶部进入，流经预燃室水冷却套对预燃室进行冗余冷却，在集液腔9内与来自水接嘴3的另一部分常温冷却水汇合，并在此一并通过通水孔13进入补燃室水冷却套，对其实施冷却。
实施例2：
如图4、图5或图6、图7所示，图中构件为：气相接嘴1或液相接嘴2、水接嘴3、补燃喷注器壳体4、喉衬7。
其中，补燃喷注器壳体4上设有水接嘴3、气相接嘴1或液相接嘴2，气相接嘴1的内部通道中设有气相腔5和气相喷嘴6或液相接嘴2的内部通道中设有燃料喷嘴11，水接嘴3的内部通道中设有集液腔9和通水孔13；补燃喷注器壳体4的两个端面为球形端面15，且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹10及相应密封槽12，其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹8及密封槽14；气相接嘴1和水接嘴3通过焊接方式与补燃喷注器壳体4连接；喉衬7与补燃喷注器壳体4采用过盈插接或其它密封方式插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器夹装于预燃室与补燃室之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
本发明工作过程：
补燃式超临界压力燃气液两相燃料注汽发生器的燃烧室分成预燃室和补燃室两个部分。当其正常工作时，其燃烧所需全部空气在预燃喷注器内分成两路，其中一路直接喷入预燃室与所喷入的部分气相或液相燃料掺混后进行贫油燃烧；另一路空气全部进入空气冷却套，经由其内衬上的多个切向喷嘴喷入预燃室，在其内壁上形成连续气膜，通过气流扰动防止火焰与空气冷却套内壁直接接触，同时掺混吸热，逐步降低燃烧温度和燃气比焓值，并与从补燃喷注器壳体4上的气相接嘴1、气相喷嘴6或液相接嘴2、燃料喷嘴11喷入的燃料进行补燃燃烧，由于未参与燃烧的空气在上述流动过程中进行了有效预热，连带提高了下一步补燃阶段的燃烧效率。与此同时，一部分冷却水从预燃室顶部进入，流经预燃室冷却水套对预燃室进行冗余冷却，在集液腔9内与来自水接嘴3的另一部分常温冷却水汇合，并在此一并通过通水孔13进入补燃室水冷却套，对其实施冷却。
实施例3：
如图8、图9或图10、图11所示，图中构件为：气相接嘴1或液相接嘴2、补燃喷注器壳体4、喉衬7。
其中，补燃喷注器壳体4上设有气相接嘴1或液相接嘴2，气相接嘴1的内部通道中设有气相腔5和气相喷嘴6，液相接嘴2的内部通道中设有燃料喷嘴11，补燃喷注器壳体4上设有集液腔9和通水孔13；补燃喷注器壳体4的两个端面为球形端面15，且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹10及相应密封槽12，其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹8及密封槽14；气相接嘴1和水接嘴3通过焊接方式与补燃喷注器壳体4连接；喉衬7与补燃喷注器壳体4采用过盈插接或其它密封方式插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体4夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
本发明工作过程：
补燃式超临界压力燃气液两相燃料注汽发生器的燃烧室分成预燃室和补燃室两个部分。当其正常工作时，其燃烧所需全部空气在预燃喷注器内分成两路，其中一路直接喷入预燃室与所喷入的部分气相或液相燃料掺混后进行贫油燃烧；另一路空气全部进入空气冷却套，经由其内衬上的多个切向喷嘴喷入预燃室，在其内壁上形成连续气膜，通过气流扰动防止火焰与空气冷却套内壁直接接触，同时掺混吸热，逐步降低燃烧温度和燃气比焓值，并与从补燃喷注器壳体4上的气相接嘴1、气相喷嘴6或液相接嘴2、燃料喷嘴11喷入的燃料进行补燃燃烧，由于未参与燃烧的空气在上述流动过程中进行了有效预热，连带提高了下一步补燃阶段的燃烧效率。与此同时，所有冷却水从预燃室顶部进入，流经预燃室冷却水套对预燃室进行冗余冷却，经由集液腔9和通水孔13进入补燃室水冷却套，对其实施冷却。
Claims (10)
1.补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，包括有气相接嘴、 液相接嘴、水接嘴、补燃喷注器壳体、喉衬，其特征在于，气相接嘴（1）的内部通道中设有气相腔（5）和气相喷嘴（6），液相接嘴（2）的内部通道中设有燃料喷嘴（11），水接嘴（3）的内部通道中设有集液腔（9）和通水孔（13）；补燃喷注器壳体（4）的两个端面为球形端面（15），且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹（10）及相应密封槽（12），其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹（8）及密封槽（14）；气相接嘴（1）、液相接嘴（2）和水接嘴（3）通过焊接方式与补燃喷注器壳体（4）连接；喉衬（7）与补燃喷注器壳体（4）采用过盈插接的密封插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体（4）夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
2.补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，包括有气相接嘴或液相接嘴、水接嘴、补燃喷注器壳体、喉衬，其特征在于，补燃喷注器壳体（4）上设有水接嘴（3）、气相接嘴（1）或液相接嘴（2），气相接嘴（1）的内部通道中设有气相腔（5）和气相喷嘴（6）、或液相接嘴（2）的内部通道中设有燃料喷嘴（11），水接嘴（3）的内部通道中设有集液腔（9）和通水孔（13）；补燃喷注器壳体（4）的两个端面为球形端面（15），且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹（10）及相应密封槽（12），其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹（8）及密封槽（14）；气相接嘴（1）和水接嘴（3）通过焊接方式与补燃喷注器壳体（4）连接；喉衬（7）与补燃喷注器壳体（4）采用过盈插接的密封插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体（4）夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
3.补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，包括气相接嘴或液相接嘴、补燃喷注器壳体、喉衬，其特征在于，补燃喷注器壳体（4）上设有气相接嘴（1）或液相接嘴（2），气相接嘴（1）的内部通道中设有气相腔（5）和气相喷嘴（6），液相接嘴（2）的内部通道中设有燃料喷嘴（11），补燃喷注器壳体（4）上设有集液腔（9）和通水孔（13）；补燃喷注器壳体（4）的两个端面为球形端面（15），且其前端带有用于连接预燃室空气、水组合冗余冷却套组件的内连接螺纹（10）及相应密封槽（12），其后端带有用于连接补燃室水冷却套的外连接螺纹（8）及密封槽（14）；气相接嘴（1）和水接嘴（3）通过焊接方式与补燃喷注器壳体（4）连接；喉衬（7）与补燃喷注器壳体（4）采用过盈插接的密封插接后，通过焊接方式连接；补燃喷注器壳体（4）夹装于预燃室壳体与补燃室壳体之间，并通过螺纹法兰、双头螺柱、螺母连接固紧。
4.根据权利要求1所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，所述的补燃喷注器上设有三个接嘴，分别为水接嘴（3）、气相接嘴（1）和液相接嘴（2），其中，水接嘴（3）与供水管线连接，气相接嘴（1）与气相燃料供气管线连接，液相接嘴（2）与液相燃料供液管线连接。
5.根据权利要求2所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，所述的补燃喷注器上设有两个接嘴，分别为水接嘴（3）、气相接嘴（1）或液相接嘴（2），其中，水接嘴（3）连接供水管，另一个接嘴连接气相供气管或液相燃料供液管。
6.根据权利要求3所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，所述的补燃喷注器上设有一个气相接嘴（1）或液相接嘴（2），且连接气相供气管或液相燃料供液管。
7.根据权利要求1或2所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，所述的预燃室冷却水经由集液腔（9），并在此与来自水接嘴（3）的常温冷却水汇合，一并经过通水孔（13）进入补燃室水冷却套。
8.根据权利要求3所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，全部冷却水经由预燃室冷却水套、集液腔（9）、通水孔（13）进入补燃室水冷却套。
9.根据权利要求1或2或 3所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，其补燃喷注器壳体（4）上布置有若干冷却补燃喷注器的通水孔（13）并与集液腔（9）和补燃室冷却水套相通。
10.根据权利要求1或2或 3所述的补燃式超临界压力气液两相燃料发生器燃烧室补燃喷注器，其特征在于，所述喷注器喷射气相、液相或气液两相燃料，并配合预燃喷注器，做单相燃料补燃燃烧或气液两相燃料同时燃烧。
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