CN102635846B - 一种渐缓汽化式高能效直流注汽方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种渐缓汽化式高能效直流注汽锅炉及方法。其技术方案是：主要由四个模块和附件组成，所述的四个模块包括辐射水冷模块、渐缓汽化模块、水管对流模块和烟管水浴模块，所述的辐射水冷模块呈卧式置于锅炉中央底部，其前端开口与燃烧机对接，尾端上方开口与渐缓汽化模块的底部连接；所述的渐缓汽化模块水平方向的前侧开口与水管对流模块连接；所述的水管对流模块后侧通过前烟箱与烟管水浴模块连接；所述的烟管水浴模块设为方形结构，通过后烟箱与烟囱连接；有益效果是：从根本原理上避免了传热恶化现象的发生，极大的降低了爆管几率，提升了安全稳定性能，解决了超临界压力下大比热区易导致传热恶化的问题，节能降耗利于环保。
Description
一种渐缓汽化式高能效直流注汽方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种石油行业的注蒸汽热力开采稠油的专用设备，特别是涉及一种对流区域渐缓汽化原理、烟管水浴预热给水原理、低烟温排放的渐缓汽化式高能效直流注汽锅炉及方法。
背景技术
[0002]目前国内外注汽锅炉的一般原理为:软化水通过高压柱塞升压后进入套管式水-水换热器，使水温高于烟气的“露点”温度(水温通常为Iio〜120°C左右，防止烟气因低温而冷凝的酸水腐蚀炉管)，水接着进入烟气对流区域吸收热量，然后再进入水-水换热器作为热源加热给水，经换热后的水最终进入辐射区域继续被加热，汽化成为干度低于80%的饱和蒸汽。
[0003] 注汽锅炉原理上是一种直流蒸汽锅炉，其本身具有汽化点不稳定、汽化过程容易传热恶化的特点。传统注汽锅炉设计为，经过套管换热和对流换热后，使水最终在辐射区域汽化。然而在质量流速不变的情况下，辐射区域传热密度过大，水在急剧汽化时很容易出现传热恶化的现象，稳定性极差。原因是辐射区域位于燃烧火焰的高温区，其平均热负荷很高，最大热负荷可达qmax=580kW/m3 (西安交大《锅炉》)，远高于对流区域的最高热负荷。传统注汽锅炉的这种原理缺陷，迫使其对水质和燃烧器的火焰轮廓要求极为苛刻，如果运行过程中水质不达标或者火焰轮廓稍有变异，极易导致炉管结垢甚至燎烤爆管等事故的发生。另一方面，传统注汽锅炉由于受其工作原理的限制，排放的烟气温度高，大量的热能随烟气排入大气而损失掉，导致能量浪费和环境污染。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种渐缓汽化式高能效直流注汽锅炉及方法，使水在对流区域进行渐缓汽化、安全稳定性显著提高，排烟温度明显降低、热效率明显提高。
[0005] 一种渐缓汽化式高能效直流注汽锅炉，其技术方案是:主要由四个模块和附件组成，所述的四个模块包括辐射水冷模块、渐缓汽化模块、水管对流模块和烟管水浴模块，附件包括:烟®、燃烧机、高压水泵、低压水流程管道、高压水汽流程管道；
[0006] 所述的辐射水冷模块采用方形的膜式水冷壁结构，呈卧式置于锅炉中央底部，其前端开口与燃烧机对接，尾端上方开口与渐缓汽化模块的底部连接；所述的渐缓汽化模块设为方形弯通结构，采用单根光管水平往复布置成矩形管束，水平方向的前侧开口与水管对流模块连接；所述的水管对流模块设为方形直通结构，采用单根翅片管水平往复布置矩形管束，后侧通过前烟箱与烟管水浴模块连接；所述的烟管水浴模块设为方形结构，主要由水罐、烟管、前烟箱和后烟箱组成，烟管采用耐酸腐蚀材料，完全浸浴水中换热，通过后烟箱与烟囱连接；
[0007] 软化水通过低压水流程管道，进入烟管水浴模块，温度升至80°C〜120°C，烟管水浴模块出口与高压水泵相连，水经加压后通过高压水汽流程管道进入水管对流模块，吸收烟气热量继续升温，成为高于200°C的热水，然后进入辐射水冷模块，继续加热升温至临近或达到饱和状态，最后进入渐缓汽化模块，与烟气对流渐缓换热，稳定的汽化为饱和蒸汽。
[0008] 上述的低压水流程管道通过高压水泵连接到高压水汽流程管道，高压水汽流程管道上通过水流量节流组件和逆止阀连接到水管对流模块入口，在水管对流模块对水进行继续升温，水管对流模块出口与辐射水冷模块入口连接，经过辐射水冷模块加热，辐射水冷模块出口与渐缓汽化模块入口连接，经过渐缓汽化模块与烟气对流渐缓换热，饱和蒸汽通过渐缓汽化模块出口流出。
[0009] 一种渐缓汽化式高能效直流注汽方法，其技术方案是包括烟气流程和水汽流程，
[0010] 所述的烟气流程包括:设为烟气二回程形式，辐射水冷模块作为燃烧室，在此释放高热负荷的热量，通过辐射传递给炉管内的水；火焰尾部的高温烟气向上转向90°，经过渐缓汽化模块，冲刷水平布置的光管管束，烟气热量通过对流换热，加热管内的水使其渐缓汽化；然后向前侧转向90°，经过水管对流模块，逆流冲刷横向水平布置的翅片管束进行充分换热；通过烟箱进入烟管水浴模块的烟管管束，加热水罐内的给水，进一步降低烟气温度，最后排入大气；
[0011] 所述的水汽流程包括:压力为0.5MPa左右的合格软化水，供至给水入口，通过低压水流程管道，进入烟管水浴模块入口，在水罐中与烟管中的烟气换热，温度升至80°C〜120°C，烟管水浴模块出口与高压水泵相连，水经加压后进入水管对流模块入口，在此吸收烟气热量继续升温，成为高于200°C的热水，然后进入辐射水冷模块入口，继续加热升温至临近或达到饱和状态，最后进入渐缓汽化模块入口，与烟气对流渐缓换热，汽化为干度不大于85%的饱和蒸汽。
[0012] 上述的辐射水冷模块采用方形的膜式水冷壁结构，呈卧式置于锅炉中央底部，其前端开口与燃烧机对接，尾端上方开口与渐缓汽化模块的底部连接。
[0013] 上述的渐缓汽化模块设为方形弯通结构，采用单根光管水平往复布置成矩形管束，水平方向的前侧开口与水管对流模块连接。
[0014] 上述的水管对流模块设为方形直通结构，采用单根翅片管水平往复布置矩形管束，后侧通过前烟箱与烟管水浴模块连接。
[0015] 上述的烟管水浴模块设为方形结构，主要由水罐、烟管、前烟箱和后烟箱组成，烟管采用耐酸腐蚀材料，完全浸浴水中换热，通过后烟箱与烟®连接。
[0016] 本发明的有益效果是:本发明主要采用使水在对流区域渐缓汽化，给水预热采用烟管水浴式的原理；渐缓汽化模块成功将水的汽化区域迁移至传热渐缓、稳定的对流区域，避开了水在辐射区域急剧汽化时容易导致传热恶化的原理缺陷，从根本原理上避免了传热恶化现象的发生，极大的降低了爆管几率，提升了安全稳定性能，尤其解决了辐射区域采用膜式水冷壁结构时传热恶化频繁的问题，解决了超临界压力的大比热区易发生传热恶化的问题，提高最大工作压力至35MPa ;烟管水浴原理大幅降低了烟气排放的温度，淘汰了成本高、笨重、换热效果差的套管式水-水换热器，使烟气排放温度可低于“露点”温度，提高了热能利用率，降低了设备成本和运行成本，节能降耗利于环保，获得良好的经济效益和环境效益。附图说明
[0017] 图1是本发明的流程原理图；
[0018] 图2是本发明的主体结构示意图；
[0019] 图3是本发明的主体结构右视图；
[0020] 上图中:1辐射水冷模块；2渐缓汽化模块；3水管对流模块；4烟管水浴模块；
[0021] 5烟囱；6燃烧机；7高压水泵；8取样分离器；9检修人孔；10炉体保温；
[0022] 11辐射水冷模块入口； 12辐射水冷模块出口； 13膜式水冷壁；
[0023] 21渐缓汽化模块入口 ；22渐缓汽化模块出口 ；23光管；
[0024] 31水管对流模块入口 ；32水管对流模块出口； 33翅片管；
[0025] 41烟管水浴模块入口 ；42烟管水浴模块出口 ；43水罐；
[0026] 44前烟箱；45后烟箱；46烟管；
[0027] 101给水入口 ；102低压水流程管道；103水流量节流组件；104高压水汽流程管道；105逆止阀；106蒸汽流量节流组件。
具体实施方式
[0028] 参照图1、图2、图3，本发明提供一种渐缓汽化式高能效直流注汽锅炉，主要由四个模块和附件组成，其中四个模块为:辐射水冷模块1、渐缓汽化模块2、水管对流模块3和烟管水浴模块4 ;附件主要包括:烟囱5、燃烧机6、高压水泵7、取样分离器8、检修人孔9、炉体保温10、低压水流程管道102、水流量节流组件103、高压水汽流程管道104、逆止阀105、蒸汽流量节流组件106、仪器仪表和电控系统等。
[0029] 辐射水冷模块I采用方形的膜式水冷壁13结构，呈卧式置于锅炉中央底部，其前端开口与燃烧机6对接，尾端上方开口与渐缓汽化模块2的底部连接。渐缓汽化模块2设计为方形弯通结构，采用单根光管23水平往复布置成矩形管束，水平方向的前侧开口与水管对流模块3连接。水管对流模块3设计为方形直通结构，采用单根翅片管33水平往复布置矩形管束，后侧通过前烟箱44与烟管水浴模块4连接。烟管水浴模块4设计为方形，主要由水罐43、烟管46、前烟箱44和后烟箱45组成，烟管46采用耐酸腐蚀材料，完全浸浴水中换热，通过后烟箱45与烟囱5连接。
[0030] 其注汽方法描述如下:
[0031] 1、水汽系统:压力为0.5MPa左右的合格软化水，供至给水入口 101，通过低压水流程管道102，进入烟管水浴模块入口 41，在水罐43中与烟管46中的烟气换热，温度升至80°C〜120°C，烟管水浴模块出口 42与高压水泵7 (工作温度120°C )相连，水经加压后进入水管对流模块入口，在此吸收烟气热量继续升温，成为高于200°C的热水，然后进入辐射水冷模块入口，继续加热升温至临近或达到饱和状态，最后进入渐缓汽化模块入口，与烟气对流渐缓换热，汽化为干度不大于85%的饱和蒸汽。
[0032] 2、烟气系统:设计为烟气二回程形式，辐射水冷模块作为燃烧室，在此释放高热负荷的热量，通过辐射传递给炉管内的水；火焰尾部的高温烟气向上转向90°，经过渐缓汽化模块，冲刷水平布置的光管管束，烟气热量通过对流换热，加热管内的水使其渐缓汽化；然后向前侧转向90°，经过水管对流模块，逆流冲刷横向水平布置的翅片管束进行充分换热；通过烟箱进入烟管水浴模块的烟管管束，加热水罐内的给水，进一步降低烟气温度，最后排入大气。
[0033] 3、控制系统:采用嵌入式智能控制系统，主要由PAC程控器、HMI触摸屏、远程工控IPC和电气辅件组成，为本领域技术人员所熟知的常规技术，本文不再详述。
[0034] 本发明提到的渐缓汽化模块的工作原理是:水与烟气通过对流的方式进行换热，在此过程中，水被渐缓的加热汽化；相对于水在辐射区域被急剧地加热汽化，渐缓汽化的方式具有安全、稳定、高效、不易传热恶化的优点。
[0035] 本发明提到的烟管水浴模块的工作原理是:烟气在烟管中流动，烟管完全浸浴在水中进行换热。这种换热方式具有安全、换热效果好、热能利用率高的优点；烟管水浴模块应用于注汽锅炉，则可以将烟气温度降至“露点”温度以下，大幅度降低烟气排放的温度，充分利用烟气余热，热效率明显提高，达到节能降耗利于环保的目的；另外，烟气排放温度低于150°C，蒸汽干度有5%的提升，热能利用效率高。
[0036] 本发明的结构原理:辐射水冷模块采用水平管、膜式水冷壁结构，呈卧式置于锅炉中央底部，其前端开口与燃烧机对接，尾端上方开口与渐缓汽化模块的底部相连；渐缓汽化模块设计为方形弯通结构，采用单根光管水平往复管束布置，水平方向的前侧开口与水管对流模块相连；水管对流模块设计为方形直通结构，采用单根翅片管水平往复管束布置，后侧通过烟箱与烟管水浴模块相连；烟管水浴模块设计为方形，主要由水罐、烟管管束及左右两侧的烟箱组成，烟管采用耐酸腐蚀材料，完全浸浴水中换热，另一侧通过烟箱与烟囱连接。
[0037] 本发明可以安装在拖车、橇座、轮船或海洋平台上使用，本发明在拖车、轮船或海洋平台上使用时蒸发量可超过20吨每小时，本发明在橇座上使用时蒸发量可超过100吨每小时。
Claims (5)
1.一种渐缓汽化式高能效直流注汽方法，其特征是包括烟气流程和水汽流程， 所述的烟气流程包括:设为烟气二回程形式，辐射水冷模块作为燃烧室，在此释放高热负荷的热量，通过辐射传递给炉管内的水；火焰尾部的高温烟气向上转向90°，经过渐缓汽化模块，冲刷水平布置的光管管束，烟气热量通过对流换热，加热管内的水使其渐缓汽化；然后向前侧转向90°，经过水管对流模块，逆流冲刷横向水平布置的翅片管束进行充分换热；通过烟箱进入烟管水浴模块的烟管管束，加热水罐内的给水，进一步降低烟气温度，最后排入大气； 所述的水汽流程包括:压力为0.5MPa左右的合格软化水，供至给水入口，通过低压水流程管道，进入烟管水浴模块入口，在水罐中与烟管中的烟气换热，温度升至80°C〜120°C，烟管水浴模块出口与高压水泵相连，水经加压后进入水管对流模块入口，在此吸收烟气热量继续升温，成为高于200°C的热水，然后进入辐射水冷模块入口，继续加热升温至临近或达到饱和状态，最后进入渐缓汽化模块入口，与烟气对流渐缓换热，汽化为干度不大于85%的饱和蒸汽。
2.根据权利要求1所述的渐缓汽化式高能效直流注汽方法，其特征是:所述的辐射水冷模块(I)采用方形的膜式水冷壁(13)结构，呈卧式置于锅炉中央底部，其前端开口与燃烧机(6)对接，尾端上方开口与渐缓汽化模块(2)的底部连接。
3.根据权利要求1所述的渐缓汽化式高能效直流注汽方法，其特征是:所述的渐缓汽化模块(2)设为方形弯通结构，采用单根光管(23)水平往复布置成矩形管束，水平方向的前侧开口与水管对流模块(3 )连接。
4.根据权利要求1所述的渐缓汽化式高能效直流注汽方法，其特征是:所述的水管对流模块(3)设为方形直通结构，采用单根翅片管(33)水平往复布置矩形管束，后侧通过前烟箱(44)与烟管水浴模块(4)连接。
5.根据权利要求1所述的渐缓汽化式高能效直流注汽方法，其特征是:所述的烟管水浴模块(4)设为方形结构，主要由水罐(43)、烟管(46)、前烟箱(44)和后烟箱(45)组成，烟管(46 )采用耐酸腐蚀材料，完全浸浴水中换热，通过后烟箱(45 )与烟® (5 )连接。
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