CN103900070B - 一种可移动式混燃蒸汽发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可移动式混燃蒸汽发生装置，包括一个作为装置壳体的圆柱形筒体，固定设置在筒体进气端的盖板，沿气体流动方向依次同轴设置在筒体内前部的火焰筒燃烧室、中部的水膜冷却系统、后部的燃气雾化装置和设置在筒体上的高温多用途燃气运行的监控系统。盖板上设置有燃料接管和高压空气接管。火焰筒燃烧室悬空设置在筒体内，火焰筒头部的进口段内设置有内、外涡流器，内涡流器安装在外涡流器内，其中内涡流器后部设置有供燃料与空气预混的预混室，所述预混室为先收敛后扩张结构。与燃料接管连接的喷嘴安装在内涡流器内。本发明具有可靠性高、寿命长、高效节能和结构合理可移动等特点。

Description

一种可移动式混燃蒸汽发生装置

技术领域

本发明涉及蒸汽发生装置，具体来说是涉及一种利用燃料对水直接进行加热混合有燃气的蒸汽发生装置，特别是一种可移动的混燃蒸汽发生装置。

背景技术

在国民经济建设中，有很多领域都需要使用大量蒸汽进行作业，以完成相应的工作，而对蒸汽本身的纯度又没有特别要求，如重质石油（稠油）和常规油田的热采作业，航母舰载飞机起飞蒸汽弹射，民用飞机冬季除雪，以及化工很多领域的作业等都需要使用大量而对蒸汽质量要求不高的高温高压蒸汽。我国现阶段产生高温高压蒸汽的主要途径是建立地面蒸汽站，通过管路系统将蒸汽输送到工作设备。该方法存在的主要问题是：

1）热量利用率低，绝大部分热量在管路系统内输送的过程中已经散失，大约只有10%的热量输送到工作设备，能源利用率低下，浪费严重。

2）地面蒸汽站的尾气既带走大约20%左右的热量，又产生大量的二氧化碳及二氧化硫等尾气，造成大气污染。

3）蒸汽站锅炉的安装，需在大地上建造安装基础，蒸汽站锅炉一旦建立起来是不能移动的，且制造费用高，整套设备庞大。

近年在石油开采领域开发出了一种石油热采技术，即用燃烧的燃气直接加热水产生蒸汽，将含有燃气的水蒸汽混合气一起注入井下，将地下高粘度的石油采出。这种方法能最大化地利用燃烧生成的热，且对环境几乎没有污染。为了实施热采技术，本领域的科技工作者除了从热采系统技术方向开发新的热采技术外，还十分注重实施这些热采系统技术的装置研究开发，且取得了一些用于石油稠油热采的蒸汽发生装置技术成果。

公开号为CH101067372A的专利文献公开了一种用于石油热采注气机的高压气发生装置，该装置的燃烧腔室为隔热衬套水冷结构。由于隔热衬套直接受高温火焰的冲刷，材料性能需十分高，才能保证在2000℃左右的温度水平下进行正常燃烧，且衬套外有冷却水，使得热应力水平十分高，对设备的寿命有着较大的影响，冷却水在高温下还容易结垢，堵塞水的通道，容易致使设备失效。该设备的雾化区采用小孔结构，流场阻力大，流动损失偏高。

公开号为CH102268984A的专利文献公开了一种复合热载体发生器的雾化装置，该装置的燃烧室实质上仍为锅炉燃烧方式，其燃烧室头部采用在隔热衬套和在衬套之间通冷却水的方式进行冷却，设备工作时热应力大，影响设备使用寿命。另外，其冷却方式决定了火焰温度不能太高，燃烧反应速度也受到限制，即其热效率不会太高。该装置对燃油雾化器进行了改进，但结构过于复杂。

发明内容

针对现有技术的蒸汽发生装置存在的不足，本发明的目的旨在提供一种结构合理、体积小、功率大、寿命长的可移动式混燃蒸汽发生装置，以满足石油开采、航母舰载飞机起飞蒸汽弹射、民用飞机冬季除雪、化工作业等领域对高温高压蒸汽的需求。

本发明的上述目的，可通过具有下述技术方案的可移动式混燃蒸汽发生装置来实现。

本发明提供的可移动式混燃蒸汽发生装置，包括一个作为装置壳体的圆柱形筒体，固定设置在筒体进气端的盖板，沿气体流动方向依次同轴设置在筒体内前部的火焰筒燃烧室、中部的水膜冷却系统、后部的燃气雾化装置和设置在筒体上的气流运行监控系统，盖板上设置有燃料接管和高压空气接管，燃料接管的出口与位于燃烧室进口内的喷嘴连接，高压空气接管出口位于火焰筒燃烧室前面，所述火焰筒燃烧室通过支撑构件设置在筒体内，构成火焰筒燃烧室的火焰筒外壁上设计有供高压空气进入火焰筒内部的进气孔、进入火焰筒内的环形冷却气流流道和点火器，火焰筒头部的进口段内设置有外涡流器、内涡流器和位于内涡流器后面的预混室，所述外涡流器安装在火焰筒头部的进口段内，所述预混室通过其安装结构联接口安装在外涡流器内，所述内涡流器安装在预混室安装结构联接口内，与燃料接管连接的所述喷嘴安装在内涡流器内。

为了取得更好的发明效果，本发明还可在上述技术方案的基础上进一步采取以下技术措施。下述各项技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。

在本发明的上述技术方案中，所述预混室优先设计为直-缩-扩结构，将内外涡流器安装在预混室直口段内外。

在本发明的上述技术方案中，所述燃料接管最好设置在盖板中央，压力空气接管至少为两个，均布设置在燃料接管周围。当然，燃料接管和压力空气接管也可采取其他方式布局，如将燃料接管和压力空气接管设置在筒体上，而不设置在盖板上。对于设置在盖板上的燃料接管，也可以不设置在盖板的中央。

在本发明的上述技术方案中，所述水膜冷却系统优先考虑设计成由两个背靠背设置的水膜生成器构成，所述水膜生成器包括设置在筒体内出口沿筒体壁面母线方向的环形旋流室、安装在环形旋流室出口处的旋流器、位于旋流室内出口沿筒体壁面切向的压力水喷头。所述压力水喷头最好设计不少于两个，且沿筒体壁面周向均布设置。旋流室的结构优先考虑设计成其出口段呈收敛状结构，可通过将构成旋流室的筒节设计成直-扩-直结构实现旋流室出口段呈收敛状。

在本发明的上述技术方案中，所述燃气雾化装置优先考虑由设计有渐缩段、喉部和渐扩段的筒腔构成，且在喉部与渐扩段之间设计有台阶结构的雾化环，所述雾化环的台阶个数不少于1个，一般为2～3个。构成气雾化装置的渐缩段的锥角最好大于渐扩段的锥角。

在本发明的上述技术方案中，所述气流运行监控系统，一般包括设置在筒体火焰筒燃烧室前方和燃气雾化装置后方的压力测量计和设置在筒体各段的温度测量计。

对于用于石油热采领域的可移动式混燃蒸汽发生装置装置，为了确保装置整套设备能放入油井（油井钻头规格一般有两种，直径139.7mm与175mm），一般将其安装座最大外轮廓直径尺寸设计为不大于135mm，筒体的直径为90～110mm。

本发明提供的可移动式混燃蒸汽发生装置，所述火焰筒燃烧室，通过在火焰筒头部的进口段内设置外涡流器、内涡流器和预混室，且预混室位于内涡流器后面，使得燃料和空气点燃之前得以预先充分混合，这一结构设计可以明显地缩短火焰长度，提高燃烧效率，减少污染。另外，燃烧室工作时，燃气的温度高达2000多摄氏度，如此高温足以将燃烧室烧化，但本发明的燃烧室采用了冲击冷却、对流冷却和气膜冷却等复合冷却结构设计，使得火焰筒及相关构件得以有效冷却，寿命大大提高。发明人通过试验证明，本发明的燃烧室较之没有设计预混结构的燃烧室，燃烧效率得到了大大提高，其燃烧效率可达99.9%以上。

本发明提供的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特别设计的水膜冷却系统，使压力水流切向进入旋流室后高速旋转，经位于出口处旋流器的作用，使所形成的水膜旋转强度均匀平稳而不受水流量的变化而变化，并能防止局部水发生汽化冲出旋流室而破坏水膜，可有效地形成紧贴筒体内壁高速旋转的水膜。所形成的旋转水膜作用，一是火焰筒燃烧室内未烧完的燃料可继续在该区域燃烧完全；二是所形成的旋转水膜，与高温燃气接触，使水膜蒸发为蒸汽；三是将高温燃气与筒体隔离，防止筒体与高温燃气接触，降低筒体壁面温度，保护筒体，提高筒体寿命。

本发明提供的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特别设计的燃气动力雾化装置，前端为收敛段，在喉部位置后设计台阶结构的雾化环，使剩余的水膜在燃气动力的作用下雾化为水雾，大幅度地提高了燃气与水的接触面积（面积通常能增大数万倍），缩短了水气化的时间，使水膜在很短的距离内变成水蒸气，迅速产生过热蒸气。同时能消除水膜的附壁效应，细化水珠的尺寸，一般仅为30～70um；水膜通过台阶后完全离开壁面，可避免结水垢，因此降低了对水源的要求。

本发明提供的可移动式混燃蒸汽发生装置，通过在筒体上特别设计的气流运行监控系统，可以监控蒸汽发生装置各截面的温度、压力等参数，确保系统能高效、环保地工作；当系统出现异常时，能及时切断燃气供应，确保安全。

本发明提供的蒸汽发生装置，由于结构设计合理巧妙，整套设备体积小，可安装在一辆汽车上，便于重复利用时移动，燃烧产生的混合有燃气的蒸汽可直接作用于工作设备，避免了地面蒸汽站的热损耗及环境污染，具有环保的优点。其特别的结构设计，还使得该装置具有功率大（其功率大约为同体积常规燃烧装置的10倍）、寿命长等特点。本发明提供的混燃蒸汽发生装置可适用于石油行业的稠油热采、航母舰载机起飞蒸汽弹射、化工作业及机场除雪等领域。

本发明提供的可移动式混燃蒸汽发生装置与现有技术的蒸汽发生装置相比，概括起来具有以下十分突出的技术效果和优点。

1）本发明的可移动式混燃蒸汽发生装置，避免了尾气带走的热量及管道沿程损失的绝大部分热量，热效率高。

2）常见的锅炉式燃烧室的燃烧效率为0.93～0.95，而本发明所述的新型带预混室的燃烧室，燃烧火焰更短，其燃烧效率可达0.99左右。两者相比较，能够提高燃烧效率5%左右，即可节约燃料5%左右。

3）采用本发明所述装置的新型带预混室燃烧室，相比常见的锅炉式燃烧室，其容热强度大（比同体积燃烧室一般高10倍以上），功率高。燃烧室采用了冲击冷却、对流冷却和气膜冷却等综合冷却方式，冷却火焰筒燃烧室壁面，保护火焰筒燃烧室壁面不易被烧化，提高火焰筒燃烧室的工作寿命。

4）构成水膜冷却系统的水膜生成器，在其出口处设置的旋流器，使由喷头喷出的水流形成紧贴筒体壁内高速旋转的水膜，达到隔离高温燃气和筒体，防止它们接触，降低筒体壁面温度的目的，起到了保护筒体、提高筒体寿命的作用，大大提高了高温部件的工作寿命。

5）燃气动力雾化装置利用燃气的气体动力把水膜雾化变成水雾，大幅提高了燃气与水的接触面积（面积通常能增大数万倍），缩短了水气化的时间，使水膜在很短的距离内变成水蒸气，迅速产生饱和蒸气，提高了蒸汽发生器的加热效果。

6）本发明的多用途蒸汽发生装置应用于石油开采，可极大的提高重质石油（稠油）开采和常规油田的二次开采的效率，能实现石油开采节能，产量增长的目的，具有巨大的经济效益；若广泛应用于重油和常规油田的再开采，将对中国的石油工业和能源安全产生革命性的影响。

附图说明

图1是本发明所述的可移动式混燃蒸汽发生装置的整体结构示意图。

图2是图1中A-A向用于示意燃烧室前端安装结构的示意图。

图3是燃烧室放大结构示意图。

图4是图3中B-B向用于示意点火器安装结构的示意图。

图5是水膜生成器的主视结构示意图。

图6是图5中C-C向结构示意图。

上述附图中各图示标号标识对象分别为：1—火焰筒燃烧室，在其构成中：1-1—外涡流器，1-2—内涡流器，1-3—火焰筒头部，1-4—火焰筒气膜段，1-5—点火器；2—水膜冷却系统，在其构成中：2-1—旋流器，2-2—旋流室，2-3—喷头安装座，2-4—喷头；3—燃气动力雾化装置；4—监控系统，在其构成中：4-1、4-3、4-4、4-5—温度测量计，4-2、4-6—压力测量计；5—燃料接管；6—压力空气接管管；7—前盖；8—喷嘴；9—燃烧室前支撑；10—筒体；11—燃烧室后支撑。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个实施例，并通过实施例对本发明作进一步的描述，以便于人们对本发明的理解。本发明的具体结构形式不限于下述实施例所描述的结构形式，本领域的技术人员可根据本发明揭示的思想在不付出创造性地劳动的条件下，还可设计出其他的具体实施方式，但这些根据本发明内容设计出的具体实施方式应仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例的可移动式混燃蒸汽发生装置，其结构如附图1至6所示，包括一个作为装置壳体的圆柱形筒体10，固定设置在筒体进气端的盖板7，沿气体流动方向依次同轴设置在筒体内前部的火焰筒燃烧室1、中部的水膜冷却系统2、后部的燃气雾化装置3和设置在筒体上的气流运行监控系统4，盖板上设置有燃料接管5和2个压力空气接管6，燃料接管设置在盖板的中央，压力空气接管均布在燃料接管四周，燃料接管的出口与位于火焰筒燃烧室头部进口内的喷嘴8连接，压力空气接管出口位于燃烧室前面，所述火焰筒燃烧室通过燃烧室前支撑9和燃烧室后支撑11支撑在筒体内。

构成火焰筒燃烧室1的火焰筒由火焰筒头部1-3和火焰筒气膜段1-4构成。火焰筒头部的进口段内设置有外涡流器1-1、内涡流器1-2和位于内涡流器后面的预混室。所述预混室为直-缩-扩结构。所述外涡流器安装在火焰筒头部1-3的进口段内，所述预混室通过其直壁面结构的联接口安装在外涡流器内，所述内涡流器安装在预混室直壁面结构的联接口内，与燃料接管连接的所述喷嘴安装在内涡流器内。火焰筒气膜段筒体壁上对称设计有两个点火器1-5。

所述水膜冷却系统2由两个背靠背设置的水膜生成器构成，所述水膜生成器包括设置在筒体内出口沿筒体壁面母线方向的环形旋流室2-2、安装在环形旋流室出口处的旋流器2-1、位于旋流室内出口沿筒体壁面切向的压力水喷头2-4及其安装座2-3。所述压力水喷头为两个，且沿筒体壁面周向均布设置。构成旋流室的筒节为直-扩-直结构，使旋流室出口段呈收敛状。

所述燃气雾化装置3由设计有渐缩段、喉部和渐扩段的筒腔构成，在喉部与渐扩段之间设计有2个台阶形的雾化环，渐缩段锥角大于渐扩段锥角。

所述设置在筒体10上的气流运行监控系统，包括设置在筒体火焰筒燃烧室前方的压力测量计4-2和设置在燃气雾化装置后方的压力测量计4-6，和从装置进气端到装置水蒸气出口端依次设置在筒体上的温度测量计4-1、4-3、4-4、4-5。

本实施例的可移动式混燃蒸汽发生装置为用于石油热采的蒸汽发生装置，整体尺寸为：装置的筒体直径约为98mm，安装座外轮廓直径约为130mm。

可移动式混燃蒸汽发生装置的工作过程为：以柴油为燃料，由燃料接管5经喷嘴8喷入燃烧室1，与此同时，高压空气由空气接管6经内涡流器进入预混室内，与喷入燃烧室的燃料掺混均匀，点火器1-5点火引燃混气，在火焰筒内急剧燃烧，产生高温高压燃气；同时，燃烧室采用冲击冷却、对流冷却和气膜冷却等综合冷却方式冷却燃烧室壁面，保护燃烧室；水膜冷却系统2的喷头喷出的压力水，在旋流室2-2内形成旋转水流，经旋流器2-1作用，形成沿筒体10内壁高速旋转的水流，一方面，在紧贴筒体内壁面形成一层水膜，隔离高温燃气和筒体，保护蒸汽发生器筒体，提高筒体寿命，另一方面，水膜在高温气体作用下蒸发，产生温度很高的水蒸气，与燃气一起通过燃气动力雾化装置3，剩余的水在混合燃气动力作用下雾化为水雾后，水和高温混合燃气的接触面积增大数万倍以上，使水膜在很短的距离内变成水蒸气，缩短了水气化的时间。产生的混合有燃气的水蒸气，可用于石油行业的稠油热采、航母舰载飞机起飞蒸汽弹射、化工行业作业及机场除雪等行业。

Claims (8)

1.一种可移动式混燃蒸汽发生装置，包括一个作为装置壳体的圆柱形筒体(10)，固定设置在筒体进气端的盖板(7)，沿气体流动方向依次同轴设置在筒体内前部的火焰筒燃烧室(1)、中部的水膜冷却系统(2)、后部的燃气雾化装置(3)和设置在筒体上的气流运行监控系统(4)，盖板上设置有燃料接管(5)和高压空气接管(6)，燃料接管的出口与位于燃烧室进口内的喷嘴(8)连接，高压空气接管出口位于火焰筒燃烧室前面，所述火焰筒燃烧室通过支撑构件设置在筒体内，构成火焰筒燃烧室的火焰筒外壁上设计有供高压空气进入火焰筒内部的进气孔、进入火焰筒内的环形冷却气流流道和点火器(1-6)，其特征在于：火焰筒头部的进口段内设置有外涡流器(1-1)、内涡流器(1-2)和位于内涡流器后面的预混室，所述外涡流器安装在火焰筒头部(1-3)的进口段内，所述预混室通过其安装结构联接口安装在外涡流器内，所述内涡流器安装在预混室安装结构联接口内，与燃料接管连接的所述喷嘴安装在内涡流器内；所述水膜冷却系统由两个背靠背设置的水膜生成器构成，所述水膜生成器包括设置在筒体内出口沿筒体壁面母线方向的环形旋流室(2-2)、安装在环形旋流室出口处的旋流器、位于旋流室内出口沿筒体壁面切向的压力水喷头(2-4)；所述燃气雾化装置(3)由设计有渐缩段、喉部和渐扩段的筒腔构成，且在喉部与渐扩段之间设计有台阶结构的雾化环，所述雾化环的台阶个数不少于1个。

2.根据权利要求1所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，所述预混室结构呈直-缩-扩结构，直段部分为联接孔，内外涡流器安装在预混室直段联接口内外。

3.根据权利要求1所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，所述燃料接管设置在盖板中央，高压空气接管至少为两个，均布设置在燃料接管周围。

4.根据权利要求1或2或3所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，构成所述水膜生成器的所述压力水喷头不少于两个，且沿筒体壁面周向均布设置。

5.根据权利要求1或2或3所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，构成所述水膜生成器的所述环形旋流室的出口段呈收敛状结构。

6.根据权利要求1或2或3所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，燃气雾化装置(3)中的所述雾化环的台阶个数为2～3个。

7.根据权利要求1或2或3所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，所述燃气雾化装置(3)中的渐缩段锥角大于渐扩段锥角。

8.根据权利要求1或2或3所述的可移动式混燃蒸汽发生装置，其特征在于，所述气流运行监控系统包括设置在筒体火焰筒燃烧室前方和燃气雾化装置后方的压力测量计和设置在筒体各段的温度测量计。