CN107461179B - 适用高粘油的复合热载体发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用高粘油的复合热载体发生装置，该装置包括壳体，所述壳体由圆锥段和圆筒段一体成型构成，所述壳体的内腔穿设有冷却套管，所述冷却套管具有封闭端和开口端，所述冷却套管的封闭端延伸至圆锥段的锥形内壁与其抵接，所述冷却套管的开口端沿壳体轴向延伸穿出圆筒段与设置在圆筒段端部的头部本体插接；所述冷却套管靠近开口端的内腔中设置有与头部本体相对布置的圆筒状配风器，所述配风器的中部设置有套设于头部本体端部外圈上的旋流器。本发明可雾化燃烧高粘度的重油或原油以降低注气成本，同时降低了燃烧室辐射热损失，缓解冷却水流道的结垢现象，提高复合热载体发生装置的能量利用率和运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及复合热载体发生装置，具体地指一种适用高粘油的复合热载体发生装置。
背景技术
多元热流体注气是近几年兴起的一种油田热采技术，该技术在油层注气领域的应用越来越广泛。由于高温高压的多元热流体对油层起到了增压和物理、化学降粘的复合效果，相对传统的蒸汽热采具有更高的原油采出率。复合热载体发生装置是多元热流体注气系统的核心设备，它利用燃料和空气充分混合燃烧后产生高温高压烟气，再与水雾掺混形成高温高压的复合热载体，最后经管线注入油层中。
现有的复合热载体发生装置具有增产效果好、环保、可移动以及单井精准注气等优势，然而在实际使用中仍存在以下不足：(1)通常以柴油或轻质原油作为燃料，成本较高；(2)复合热载体发生装置的热损失较大；(3)燃烧室冷却流道易结垢，减弱了传热效果，而且会堵塞注水孔。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种适用高粘油的复合热载体发生装置，该装置可雾化燃烧高粘度的重油或原油以降低注气成本，同时降低了燃烧室辐射热损失，缓解冷却水流道的结垢现象，提高复合热载体发生装置的能量利用率和运行稳定性。
为实现上述目的，本发明所设计的适用高粘油的复合热载体发生装置，包括壳体，所述壳体由圆锥段和圆筒段一体成型构成，其特殊之处在于：所述壳体的内腔穿设有冷却套管，所述冷却套管具有封闭端和开口端，所述冷却套管的封闭端延伸至圆锥段的锥形内壁与其抵接，所述冷却套管的开口端沿壳体轴向延伸穿出圆筒段与设置在圆筒段端部的头部本体插接；
所述冷却套管靠近开口端的内腔中设置有与头部本体相对布置的圆筒状配风器，所述配风器的中部设置有套设于头部本体端部外圈上的旋流器；所述配风器与头部本体之间设置有圆环形状的均气板，所述配风器与均气板之间的空腔形成配风室，所述均气板与头部本体之间的空腔形成均气室；所述冷却套管的封闭端一侧端面与圆锥段的内壁围合形成第一混合室，所述冷却套管的封闭端另一侧端面与配风器之间的空腔形成燃烧室；所述头部本体上设置有用于连通配风室与燃烧室的预混风道，这样头部本体上设计有预混风道，可提高点火可靠性，同时在喷嘴出口附近形成不完全燃烧区，不会产生温度过高烧坏喷嘴的现象，预混风道还有一定的冷却作用。
所述头部本体套设有旋流器的一端内腔设置有第二混合室，所述第二混合室的一端设置有与第一混合室连通的喷嘴，所述第二混合室的另一端与穿设在头部本体内腔中的雾化气导管连通，所述雾化气导管内穿设有燃料油导管，所述燃料油导管的一端伸入第二混合室内与其连通，所述燃料油导管的另一端与外界燃料油输入端连接；所述雾化气导管的下方设置有固定于头部本体上的点火器，所述点火器的点火口与喷嘴相邻设置；所述雾化气导管的上方设置有固定于头部本体上的助燃风导管，所述助燃风导管的一端与均气室连通，所述助燃风导管的另一端与外界助燃风输入端连接。本发明的喷嘴使高压空气在流动的燃油中形成气泡，利用气泡的产生、运动、变形直到喷嘴出口爆破来产生非常细的液雾，可使用的燃油范围广，喷嘴不易堵塞，从而大大提高了燃烧效率。
进一步地，所述头部本体上还设置有冷却水导管，所述冷却水导管的一端与冷却套管的外壁和壳体的内壁之间的空腔连通，另一端与外界的冷却水输入端连接。
进一步地，所述冷却套管的外壁上设置有沿其轴向延伸的螺旋槽，所述螺旋槽的外壁上设置有若干个沿其周向交错布置的涡流发生器，所述冷却套管靠近封闭端的外壁上设置有若干个沿其周向间隔布置的用于供冷却水注入的注水孔。这样，冷却套管的螺旋槽流道底部的涡流发生器可破坏流动边界层，提高了冷却水的对流换热效果，同时可减轻冷却套管外壁面的结垢沉积现象。
进一步地，所述均气板上设置有若干个用于连通均气室和配风室的气孔，每个所述气孔的开口尺寸相同。这样，可使一、二次助燃风配风均匀，一次助燃风与燃料油进行不完全燃烧，可降低头部本体端面温度，二次助燃风起补燃作用，还可提高火焰刚度，一、二次助燃风的流速差异形成火焰的中心回流区，起到稳焰及预热燃料的作用。
进一步地，所述配风器上沿径向均匀开设有内圈气孔和外圈气孔，所述内圈气孔的中心轴线与燃烧室的中心轴线相倾斜设置，所述外圈气孔的中心轴线与燃烧室的中心轴线相平行设置。这样，可以使得空气与燃料充分混合燃烧。
进一步地，所述壳体的圆筒段端部与头部本体之间通过头部法兰连接，所述壳体的圆锥段端部设置有出口法兰。
进一步地，所述雾化气导管与头部本体之间、所述点火器与头部本体之间、所述助燃风导管与头部本体之间、所述冷却水导管与头部本体之间均通过螺纹方式连接。
进一步地，所述头部本体由小径段和大径段一体成型，所述旋流器的中心孔内壁与头部本体的小径段外壁螺纹连接，所述配风器的内壁与头部本体的大径段外壁螺纹连接。
再进一步地，所述均气板的内圈与头部本体的小径段中部外壁焊接，所述均气板的外圈与配风器的内壁焊接。
更进一步地，所述壳体的内壁覆盖有高温热反射层，所述壳体的外壁覆盖有高温隔热层。这样，有利于减少复合热载体发生装置对环境的辐射和对流热损失。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
其一，本发明的喷嘴使高压空气在流动的燃油中形成气泡，利用气泡的产生、运动、变形直到喷嘴出口爆破来产生非常细的液雾，雾滴的索太尔直径小于40μm，尺寸分布指数大于2，雾化效果对所用燃油的粘度及表面张力影响不敏感，可使用的燃油范围广，喷嘴不易堵塞，从而大大提高了燃烧效率。
其二，本发明在头部本体上设计有预混风道，可提高点火可靠性，同时在喷嘴出口附近形成不完全燃烧区，不会产生温度过高烧坏喷嘴的现象，预混风道还有一定的冷却作用。
其三，本发明设计的由配风器可产生火焰的中心回流区，其中充满高温燃烧产物可提供自动点火源，回流区的低速用于稳定火焰，有利于提高燃烧完全度。
其四，本发明的冷却套管的螺旋槽流道底部的涡流发生器可破坏流动边界层，提高了冷却水的对流换热效果，同时可减轻冷却套管外壁面的结垢沉积现象。
其五，本发明设计有均气板，可使一、二次助燃风配风均匀，一次助燃风与燃料油进行不完全燃烧，可降低头部本体端面温度，二次助燃风起补燃作用，还可提高火焰刚度，一、二次助燃风的流速差异形成火焰的中心回流区，起到稳焰及预热燃料的作用。
其六，本发明的复合热载体发生装置可雾化燃烧高粘度燃油，不仅大大降低了燃料成本，同时因燃料的预热温度无需太高，亦能降低油箱加热能耗。
附图说明
图1为一种适用高粘油的复合热载体发生装置的主视剖视结构示意图；
图2为图1所示适用高粘油的复合热载体发生装置的后视剖视结构示意图；
图3为图1所示适用高粘油的复合热载体发生装置的侧视结构示意图；
图4为图1中头部本体的放大结构示意图；
图5为图1中冷却套管的局部放大结构示意图；
图中，壳体1、圆锥段1.1、圆筒段1.2、冷却套管2、封闭端2.1、开口端2.2、螺旋槽2.3、涡流发生器2.4、注水孔2.5、头部本体3、小径段3.1、大径段3.2、配风器4、内圈气孔4.1、外圈气孔4.2、旋流器5、均气板6、气孔6.1、配风室7、均气室8、第一混合室9、燃烧室10、预混风道11、第二混合室12、喷嘴13、雾化气导管14、燃料油导管15、点火器16、助燃风导管17、冷却水导管18、头部法兰19、出口法兰20。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
图中所示的一种适用高粘油的复合热载体发生装置，包括壳体1，壳体1由圆锥段1.1和圆筒段1.2一体成型构成，壳体1的内壁覆盖有高温热反射层，壳体1的外壁覆盖有高温隔热层。壳体1的内腔穿设有冷却套管2，冷却套管2具有封闭端2.1和开口端2.2，冷却套管2的外壁上设置有沿其轴向延伸的螺旋槽2.3，螺旋槽2.3的外壁上设置有若干个沿其周向交错布置的涡流发生器2.4，冷却套管2靠近封闭端2.1的外壁上设置有若干个沿其周向间隔布置的用于供冷却水注入的注水孔2.5。冷却套管2的封闭端2.1延伸至圆锥段1.1的锥形内壁与其抵接，冷却套管2的开口端2.2沿壳体1轴向延伸穿出圆筒段1.2与设置在圆筒段1.2端部的头部本体3插接，壳体1的圆筒段1.2端部与头部本体3之间通过头部法兰19连接，壳体1的圆锥段1.1端部设置有出口法兰20。
冷却套管2靠近开口端2.2的内腔中设置有与头部本体3相对布置的圆筒状配风器4，配风器4上沿径向均匀开设有内圈气孔4.1和外圈气孔4.2，内圈气孔4.1的中心轴线与燃烧室10的中心轴线相倾斜设置，外圈气孔4.2的中心轴线与燃烧室10的中心轴线相平行设置。配风器4的中部设置有套设于头部本体3端部外圈上的旋流器5，旋流器5为叶片式旋流器。头部本体3由小径段3.1和大径段3.2一体成型，旋流器5的中心孔内壁与头部本体3的小径段3.1外壁螺纹连接，配风器4的内壁与头部本体3的大径段3.2外壁螺纹连接。
配风器4与头部本体3之间设置有圆环形状的均气板6，均气板6的内圈与头部本体3的小径段3.1中部外壁焊接，均气板6的外圈与配风器4的内壁焊接。配风器4与均气板6之间的空腔形成配风室7，均气板6与头部本体3之间的空腔形成均气室8，均气板6上设置有若干个用于连通均气室8和配风室7的气孔6.1。冷却套管2的封闭端2.1一侧端面与圆锥段1.1的内壁围合形成第一混合室9，冷却套管2的封闭端2.1另一侧端面与配风器4之间的空腔形成燃烧室10；头部本体3上设置有用于连通配风室7与燃烧室10的预混风道11。
头部本体3套设有旋流器5的一端内腔设置有第二混合室12，第二混合室12的一端设置有与第一混合室9连通的喷嘴13，第二混合室12的另一端与穿设在头部本体3内腔中的雾化气导管14连通，雾化气导管14内穿设有燃料油导管15，燃料油导管15的一端伸入第二混合室12内与其连通，燃料油导管15的另一端与外界燃料油输入端连接；雾化气导管14的下方设置有固定于头部本体3上的点火器16，点火器16的点火口与喷嘴13相邻设置，喷嘴13的中心导管和环隙的流动方式分为内气外液型和外气内液型两种。雾化气进入第二混合室12后与液体燃料混合成两相流在第二混合室12混合。预混风道11中通入预混空气，与雾化燃料提前混合，旋流器5的螺旋流道使一次助燃风沿燃烧室10的中心轴线方向呈螺旋流动，加强空气与燃料的混合。配风器4中通入二次助燃风，配风器4上沿径向均匀开设有两圈气孔，内圈气孔轴线与燃烧室10的中心轴线以同样的角度相交，外圈气孔轴线与燃烧室10的中心轴线平行，使空气与燃料充分混合燃烧。
雾化气导管14的上方设置有固定于头部本体3上的助燃风导管17，助燃风导管17的一端与均气室8连通，助燃风导管17的另一端与外界助燃风输入端连接，可输入高压空气或蒸汽。头部本体3上还设置有冷却水导管18，冷却水导管18的一端与冷却套管2的外壁和壳体1的内壁之间的空腔连通，另一端与外界的冷却水输入端连接。冷却水由冷却水导管18进入冷却套管2外壁上开设的螺旋槽2.3中，冷却水与冷却套管2的中心轴线方向呈螺旋流动，最终通过冷却套管2后部的注水孔2.5喷入冷却套管2内。雾化气导管14与头部本体3之间、点火器16与头部本体3之间、助燃风导管17与头部本体3之间、冷却水导管18与头部本体3之间均通过螺纹方式连接，并通过金属垫片和O型橡胶圈进行密封。
本发明的工作原理：燃料油和雾化气通过喷嘴13的导管或环隙流入，气液两相在第一混合室9中形成均匀的气泡流流型。在喷嘴13出口处，液体燃料受气泡的挤压分裂成液膜，从喷嘴喷出口，通过气泡的爆炸作用进一步雾化成液滴，雾化效果受液体粘度的影响很小，只与液体的表面张力有关。高压空气通过助燃风导管17流入，分别进入预混风道11、旋流器5和配风器4。预混风可提高点火成功率，还起到冷却喷嘴，防止烧坏的作用。一次助燃风与燃料油进行不完全燃烧，可降低头部本体3端面温度，二次助燃风起补燃作用，还可提高火焰刚度。一、二次助燃风的流速差异形成火焰的中心回流区，起到稳焰及预热燃料的作用。冷却套管2前部起到冷却头部本体3的作用，后部起到冷却燃烧室10的作用。螺旋槽2.3底部的涡流发生器2.4破坏了流动边界层，提高了冷却水的对流换热效果，同时可减轻外壁面的结垢沉积的现象。冷却水在螺旋槽2.3内被加热后通过注水孔2.5喷入冷却套管内，与燃烧产生高温高压气体在第一混合室9内充分混合形成复合热载体。壳体1内壁喷涂有高温热反射涂料，以减少高温烟气对环境的辐射热损失。壳体1外壁喷涂有高温隔热涂料，以减少复合热载体发生装置对环境的对流热损失。
以上仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用高粘油的复合热载体发生装置，包括壳体(1)，所述壳体(1)由圆锥段(1.1)和圆筒段(1.2)一体成型构成，其特征在于：所述壳体(1)的内腔穿设有冷却套管(2)，所述冷却套管(2)具有封闭端(2.1)和开口端(2.2)，所述冷却套管(2)的封闭端(2.1)延伸至圆锥段(1.1)的锥形内壁与其抵接，所述冷却套管(2)的开口端(2.2)沿壳体(1)轴向延伸穿出圆筒段(1.2)与设置在圆筒段(1.2)端部的头部本体(3)插接；
所述冷却套管(2)靠近开口端(2.2)的内腔中设置有与头部本体(3)相对布置的圆筒状配风器(4)，所述配风器(4)的中部设置有套设于头部本体(3)端部外圈上的旋流器(5)；所述配风器(4)与头部本体(3)之间设置有圆环形状的均气板(6)，所述配风器(4)与均气板(6)之间的空腔形成配风室(7)，所述均气板(6)与头部本体(3)之间的空腔形成均气室(8)；所述冷却套管(2)的封闭端(2.1)一侧端面与圆锥段(1.1)的内壁围合形成第一混合室(9)，所述冷却套管(2)的封闭端(2.1)另一侧端面与配风器(4)之间的空腔形成燃烧室(10)；所述头部本体(3)上设置有用于连通配风室(7)与燃烧室(10)的预混风道(11)；
所述头部本体(3)套设有旋流器(5)的一端内腔设置有第二混合室(12)，所述第二混合室(12)的一端设置有与第一混合室(9)连通的喷嘴(13)，所述第二混合室(12)的另一端与穿设在头部本体(3)内腔中的雾化气导管(14)连通，所述雾化气导管(14)内穿设有燃料油导管(15)，所述燃料油导管(15)的一端伸入第二混合室(12)内与其连通，所述燃料油导管(15)的另一端与外界燃料油输入端连接；所述雾化气导管(14)的下方设置有固定于头部本体(3)上的点火器(16)，所述点火器(16)的点火口与喷嘴(13)相邻设置；所述雾化气导管(14)的上方设置有固定于头部本体(3)上的助燃风导管(17)，所述助燃风导管(17)的一端与均气室(8)连通，所述助燃风导管(17)的另一端与外界助燃风输入端连接。
2.根据权利要求1所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述头部本体(3)上还设置有冷却水导管(18)，所述冷却水导管(18)的一端与冷却套管(2)的外壁和壳体(1)的内壁之间的空腔连通，另一端与外界的冷却水输入端连接。
3.根据权利要求2所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述冷却套管(2)的外壁上设置有沿其轴向延伸的螺旋槽(2.3)，所述螺旋槽(2.3)的外壁上设置有若干个沿其周向交错布置的涡流发生器(2.4)，所述冷却套管(2)靠近封闭端(2.1)的外壁上设置有若干个沿其周向间隔布置的用于供冷却水注入的注水孔(2.5)。
4.根据权利要求1或2或3所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述均气板(6)上设置有若干个用于连通均气室(8)和配风室(7)的气孔(6.1)。
5.根据权利要求1或2或3所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述配风器(4)上沿径向均匀开设有内圈气孔(4.1)和外圈气孔(4.2)，所述内圈气孔(4.1)的中心轴线与燃烧室(10)的中心轴线相倾斜设置，所述外圈气孔(4.2)的中心轴线与燃烧室(10)的中心轴线相平行设置。
6.根据权利要求1或2或3所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述壳体(1)的圆筒段(1.2)端部与头部本体(3)之间通过头部法兰(19)连接，所述壳体(1)的圆锥段(1.1)端部设置有出口法兰(20)。
7.根据权利要求2或3所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述雾化气导管(14)与头部本体(3)之间、所述点火器(16)与头部本体(3)之间、所述助燃风导管(17)与头部本体(3)之间、所述冷却水导管(18)与头部本体(3)之间均通过螺纹方式连接。
8.根据权利要求1或2或3所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述头部本体(3)由小径段(3.1)和大径段(3.2)一体成型，所述旋流器(5)的中心孔内壁与头部本体(3)的小径段(3.1)外壁螺纹连接，所述配风器(4)的内壁与头部本体(3)的大径段(3.2)外壁螺纹连接。
9.根据权利要求8所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述均气板(6)的内圈与头部本体(3)的小径段(3.1)中部外壁焊接，所述均气板(6)的外圈与配风器(4)的内壁焊接。
10.根据权利要求1或2或3所述的适用高粘油的复合热载体发生装置，其特征在于：所述壳体(1)的内壁覆盖有高温热反射层，所述壳体(1)的外壁覆盖有高温隔热层。
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