CN115930196B - 油田燃气注汽锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油田燃气注汽锅炉，包括沿烟气流动方向排列的辐射段、对流段、冷凝段，所述对流段设置有对流段光管、对流段翅片管，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段，所述高干段设置有高干段光管、高干段翅片管，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管。采用烟气冷凝器可以进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上。通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性。通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力。
Description
技术领域
本发明涉及油田注汽锅炉技术领域，具体地说是一种油田燃气注汽锅炉。
背景技术
现有的油田注汽锅炉通常是卧式直流水管锅炉，其主要由辐射段、连接在辐射段尾部的过渡段、设置在过渡段上方的对流段组成。其中，辐射段的内壁衬以硅酸铝耐火纤维，并设有往复排列的盘管，中间形成宽敞的炉膛；对流段是由光管和肋片管组成的矩形结构；过渡段是连接在辐射段与对流段之间起连接作用的一个半圆形烟气转向通道，轴向尺寸约为1.3米左右，无换热作用。
目前在用燃气注汽锅炉体积大，主要体现在辐射段轴线方向长度和烟气出口距离地面高度，两个方向尺寸较大，不利于稠油区块机动灵活注汽要求。
现有燃气锅炉由燃油锅炉改造而成，换热面以燃油燃烧特性为主，改为天然气燃料后，换热特征、烟气特性均发生变化，不能满足当前高效节能要求。
水蒸气携热机理表明，蒸汽干度越高携带热量越多，稠油注蒸汽效果越明显。油田用直流燃气锅炉受现有工艺制约，常规水处理无法实现直接提干运行。
因此一种新型油田高效燃气注汽锅炉技术的开发迫在眉睫，有必要提供一种油田燃气注汽锅炉来克服上述缺陷。
公开(公告)号：CN101343989B，公开(公告)日：2012-08-22是一种高干度油田注汽锅炉和高干度蒸汽生产方法。该高干度油田注汽锅炉包括辐射段、对流段和过渡段，还包括炉体、给水泵和汽水分离器；在对流段与过渡段之间的炉体内固定安装有蒸汽过热器；对流段进口管的进水口与给水泵的出水口相连通，对流段进口管的出水口与对流段上端的进水口相连通；对流段出口管的进汽口与对流段下端的出汽口相连通，对流段出口管的出汽口与辐射段的进汽口相连通。本发明结构合理而紧凑，使用方便，能使蒸汽干度达到100％，并有一定的过热度，能满足超稠油开发的注汽工艺要求，因此极大地提高了超稠油开发注汽的工作效率，提高了热效率，降低了能耗，降低了生产成本。
公开(公告)号：CN101551097A，公开(公告)日：2009-10-07涉及一种生产高干度过热蒸汽用注汽锅炉，由换热器、辐射段、对流段、烟囱、水置式汽水分离器、过热器、炉体、给水管路、燃烧器、电加热器、油加热器和闪蒸罐组成。炉体内前部设有燃烧器，中部设有辐射段，后部设有对流段，燃烧器通过导线和管线分别与电加热器和油加热器相连接；辐射段外侧设有换热器，出口设有外置式汽水分离器，换热器通过给水管路与给水泵相连接，汽水分离器通过管线分别与过热器和闪蒸罐相连接；对流段下部设有过热器，上部设有烟囱；辐射段、对流段分别通过管线与换热器相连接。本发明结构新颖，设计合理，工作可靠，利用它可以生产出干度高、温度高的过热蒸汽，从而提高稠油SAGD热采工艺的效果。
公开(公告)号：CN202660522U，公开(公告)日：2013-01-09涉及一种高干度油田注汽锅炉，属于油田注汽锅炉技术领域；其包括双给水泵、换热器、汽水分离器和锅炉；锅炉包括过渡烟道、对流蒸发段、二次对流段、一次对流段和烟筒；过渡烟道、对流蒸发段、二次对流段、一次对流段和烟筒从下而上依次固定连接在一起；在过渡烟道的外侧固定连接有与过渡烟道相连通的燃烧器；双给水泵的出水口通过第一管线和换热器的壳程进水口固定连接在一起。本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，通过双给水泵、换热器、燃烧器、过渡烟道、对流蒸发段、二次对流段、一次对流段和烟筒的配合使用，实现单井注汽量大和到达井底的蒸汽干度高的目的，满足了SAGD开发工艺要求。
以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，或者技术领域或者应用场合不同，针对本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷而提供一种油田燃气注汽锅炉，对锅炉的辐射段进一步分段设计，解决温区区域变化导致的管壳超温风险，使得结垢、超温安装发生区域便于监控，设计高干段与对流段组合形式，降低烟气对高干段光管的热冲击，同时有效提升蒸汽干度。采用烟气冷凝器可以进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上。通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性。通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种油田燃气注汽锅炉，包括辐射段、对流段、冷凝段，所述对流段设置有对流段光管、对流段翅片管，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段，所述高干段设置有高干段光管、高干段翅片管，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管。
进一步地，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区、烟气效应区、烟气冷凝负压区，即辐射段、对流段连接处为一个缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱连接处的过流截面积。
进一步地，还包括水罐，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。
进一步地，所述水罐与冷凝段换热光管之间的连接水路上设置软化器。
进一步地，所述除氧器与对流段光管之间的连接水路上设置柱塞泵。
进一步地，所述冷凝段设置冷凝挡板，冷凝挡板位于冷凝段换热光管下方，冷凝挡板同时位于对流段光管上方，所述冷凝挡板设置接水槽，接水槽边缘具有排水口，排水口通过管路连接回收罐，所述回收罐通过冷凝水回收泵连接水罐。
进一步地，所述对流段翅片管、高干段翅片管之间连接的水路要经过辐射段。
进一步地，所述的辐射段采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；对流段与辐射段连接处通过设置烟气折流板减小过流截面积，形成烟气喷管效应区；冷凝段通过烟气冷凝换热，烟气中水蒸气凝结，烟气体积收缩形成负压区；冷凝段出口烟气温度高于烟囱出口空气，热压形成烟囱效应区，冷凝段上方的整个尾部烟道形成负压抽吸环境。
进一步地，采用辐射对流换热5:5的比例。
另一方面，为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种油田燃气注汽锅炉，包括沿烟气流动方向排列的辐射段、对流段、冷凝段，其中，所述对流段设置有对流段光管、对流段翅片管，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段，所述高干段设置有高干段光管、高干段翅片管，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管。
进一步地，所述辐射段包括沿烟气流动方向排列的辐射高温段和辐射低温段，所述辐射段设置有位于所述辐射高温段的辐射高温段光管和位于所述辐射低温段的辐射低温段光管，换热介质依次流过所述辐射高温段光管和所述辐射低温段光管。
进一步地，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区、烟气效应区、烟气冷凝负压区，辐射段、对流段连接处设置有缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱的连接处的过流截面积。
进一步地，还包括水罐，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。
进一步地，所述水罐与冷凝段换热光管之间的连接水路上设置软化器。
进一步地，所述除氧器与对流段光管之间的连接水路上设置柱塞泵。
进一步地，所述冷凝段设置有冷凝挡板，冷凝挡板位于冷凝段换热光管下方，冷凝挡板同时位于对流段光管上方，所述冷凝挡板设置接水槽，接水槽边缘具有排水口，排水口通过管路连接回收罐，所述回收罐通过冷凝水回收泵连接水罐。
进一步地，所述对流段翅片管、高干段翅片管之间连接的水路要经过辐射段。
进一步地，所述的辐射高温段采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；所述的辐射低温段采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；对流段与辐射段连接处通过设置烟气折流板减小过流截面积，形成烟气喷管效应区；冷凝段通过烟气冷凝换热，烟气中水蒸气凝结，烟气体积收缩形成负压区；冷凝段的出口连接有尾部烟囱，尾部烟囱的内部烟道形成烟气热压烟囱效应区，以形成负压抽吸环境。
进一步地，采用辐射对流换热5:5的比例。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.设计高干段与对流段组合形式，降低烟气对高干段光管的热冲击，同时有效提升蒸汽干度。
2.采用烟气冷凝器可以进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上。
3.通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性。
4.通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力。
5.采通过给水预热与烟气冷凝联合，提高给水水质。
6.减小辐射段轴线方向长度和烟气出口距离地面高度，保证注汽锅炉在所有蒸汽井现场的灵活运输，整体锅炉尺寸缩短2-3米，降低了注汽锅炉的重量，有利于注汽锅炉的运输。
7.辐射段分区设置，可以根据火焰温度设置不同材质管壳，解决因低氮燃烧器火焰温度区域变化造成的管壳超温风险；二是分区设置可更容易地实现水冷壁均匀换热控制；三是分区设置，高温、低温区管内蒸汽区整体后移，结垢、超温安全发生区域更便于监控。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的油田燃气注汽锅炉的结构示意图；
图2为各种区段的纵剖面图；
图3为本发明另一种实施方式的油田燃气注汽锅炉的结构示意图。
附图标记说明：辐射段1，对流段2，高干段3，冷凝挡板5，冷凝段4，回收罐6，冷凝水回收泵7，水罐8，软化器9，除氧器10，柱塞泵11，烟气喷管效应区12，烟气效应区13，烟气冷凝负压区14，烟气热压烟囱效应区15，辐射高温段16，辐射低温段17，辐射高温段光管18，辐射低温段光管19，对流段光管21，高干段光管31，高干段翅片管32，对流段翅片管22，冷凝段换热光管41。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
一种油田燃气注汽锅炉，包括辐射段1、对流段2、冷凝段4，所述对流段设置有对流段光管21、对流段翅片管22，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段3，所述高干段设置有高干段光管31、高干段翅片管32，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管41。
进一步地，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区12、烟气效应区13、烟气冷凝负压区14，即辐射段、对流段连接处为一个缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区12，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱连接处的过流截面积，冷凝段上方的烟囱为烟气热压烟囱效应区15。
进一步地，还包括水罐8，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器10、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。水罐出水温度为常温25度。对流段光管、对流段翅片管之间的连接水路内的介质温度为254度。锅炉蒸汽出口的注汽管道内介质温度为369度，干度为90％。
进一步地，所述水罐与冷凝段换热光管之间的连接水路上设置软化器9。
进一步地，所述除氧器与对流段光管之间的连接水路上设置柱塞泵11。该段水路内的介质温度为60度。
进一步地，所述冷凝段设置冷凝挡板，冷凝挡板位于冷凝段换热光管下方，冷凝挡板同时位于对流段光管上方，所述冷凝挡板设置接水槽，接水槽边缘具有排水口，排水口通过管路连接回收罐6，所述回收罐通过冷凝水回收泵7连接水罐。
进一步地，所述对流段翅片管、高干段翅片管之间连接的水路要经过辐射段，该段水路内的介质温度325度。
进一步地，所述的辐射段采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；对流段与辐射段连接处通过设置烟气折流板减小过流截面积，形成烟气喷管效应区；冷凝段通过烟气冷凝换热，烟气中水蒸气凝结，烟气体积收缩形成负压区；冷凝段出口烟气温度高于烟囱出口空气，进入烟囱内的烟气温度为56度，热压形成烟囱效应区，冷凝段上方的整个尾部烟道形成负压抽吸环境。
进一步地，采用辐射对流换热5:5的比例。
结合图1可以看出本发明的实施方式为：所述一种新型油田高效燃气注汽锅炉，包括辐射段、对流段、高干段和冷凝段；其中，所述烟气流动方向依次为辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段光管。高干段安装在对流段光管区域和对流段翅片管区中间，沿辐射段轴线方向布置。冷凝段位于烟气效应区正上方。
本发明所述实施方案核心思想是：采用烟气冷凝器进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上；通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性；通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力；通过给水预热与烟气冷凝联合，提高给水水质。同时，整体锅炉尺寸缩短2-3米，降低了注汽锅炉的重量，有利于注汽锅炉的运输。
本发明将高干段布置在对流段光管区和翅片管区之间，通过对流段光管区管程低温水吸热，降低烟气对高干段光管的热冲击，同时有效提升蒸汽干度。
本发明采用烟气冷凝器可以进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上。同时通过烟气冷凝后烟气体积收缩，降低烟气流动阻力。
本发明通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性。同时，通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力。
本发明通过给水预热与烟气冷凝联合，提高给水水质。同时，整体锅炉尺寸缩短2-3米，降低了注汽锅炉的重量，有利于注汽锅炉的运输。
本发明核心点包括换热比例均衡设计、烟道降阻结构设计、烟气冷凝余热回收设计和烟气预热给水除氧设计4个个方面。
换热比例均衡设计根据燃气注汽锅炉燃烧火焰短、热辐射热小的特点，重新调整对流段和辐射段换热比例，换热面布置顺烟气流动方向依次为辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段光管。高效高干燃气锅炉改变常规锅炉辐射与对流吸热6:4的比例，采用辐射对流换热5:5的比例，更加适合燃气锅炉燃烧特性，烟气侧整个换热过程更加合理高效。
烟道降阻结构设计包括烟气通过对流段翅片管尾部烟气喷管效应区、烟气效应区、冷凝段烟气负压区、烟气出口热压形成烟囱效应区，在总换热面积增加100平方米的条件下，烟道阻力保持不变。冷凝段出口烟气温度高于烟囱出口空气，热压形成烟囱效应区。整个尾部烟道形成负压抽吸环境，降低烟气流动阻力。
烟气冷凝余热回收设计通过在冷凝段尾部增加冷凝段换热光管，采用烟气通过壳程降温到55℃以下，天然气烟气中90％蒸汽形成冷凝水，实现烟气潜热回收，锅炉热效率大于100％。
烟气预热给水除氧设计通过将软化器出口水通入烟气冷凝换热区管程，通过与烟气换热后，给水温度升高约20℃，改变进入真空除氧器氧分压，提高锅炉给水除氧效果，给水不再需要加药即可满足运行条件。给水蒸汽流程循环利用，给水加热、除氧、蒸汽形成、再热，产生高干度蒸汽工艺布局。
实施例2：
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
一种油田燃气注汽锅炉，包括辐射段1、对流段2、冷凝段4，所述对流段设置有对流段光管21、对流段翅片管22，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段3，所述高干段设置有高干段光管31、高干段翅片管32，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管41。
进一步地，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区12、烟气效应区13、烟气冷凝负压区14，即辐射段、对流段连接处为一个缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区12，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱连接处的过流截面积，冷凝段上方的烟囱为烟气热压烟囱效应区15。
进一步地，还包括水罐8，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器10、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。水罐出水温度为常温25度。对流段光管、对流段翅片管之间的连接水路内的介质温度为254度。锅炉蒸汽出口的注汽管道内介质温度为369度，干度为90％。
进一步地，所述水罐与冷凝段换热光管之间的连接水路上设置软化器9。
进一步地，所述除氧器与对流段光管之间的连接水路上设置柱塞泵11。该段水路内的介质温度为60度。
进一步地，所述冷凝段设置冷凝挡板，冷凝挡板位于冷凝段换热光管下方，冷凝挡板同时位于对流段光管上方，所述冷凝挡板设置接水槽，接水槽边缘具有排水口，排水口通过管路连接回收罐6，所述回收罐通过冷凝水回收泵7连接水罐。
实施例3：
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
一种油田燃气注汽锅炉，包括辐射段1、对流段2、冷凝段4，所述对流段设置有对流段光管21、对流段翅片管22，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段3，所述高干段设置有高干段光管31、高干段翅片管32，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管41。
进一步地，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区12、烟气效应区13、烟气冷凝负压区14，即辐射段、对流段连接处为一个缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区12，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱连接处的过流截面积，冷凝段上方的烟囱为烟气热压烟囱效应区15。
进一步地，还包括水罐8，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器10、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。水罐出水温度为常温25度。对流段光管、对流段翅片管之间的连接水路内的介质温度为254度。锅炉蒸汽出口的注汽管道内介质温度为369度，干度为90％。
实施例4：
请参阅图2至图3，本发明提供一种技术方案：
一种油田燃气注汽锅炉，包括沿烟气流动方向排列的辐射段1、对流段2、冷凝段4，所述对流段2设置有对流段光管21、对流段翅片管22，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段3，所述高干段设置有高干段光管32、高干段翅片管31，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管41。
另外，所述辐射段1包括沿烟气流动方向排列的辐射高温段16和辐射低温段17，所述辐射段设置有位于所述辐射高温段16的辐射高温段光管18和位于所述辐射低温段17的辐射低温段光管19，换热介质依次流过所述辐射高温段光管18和所述辐射低温段光管19，烟气依次经过所述辐射高温段光管18和所述辐射低温段光管19。
如图3所示，在辐射段1中，烟气依次流过辐射高温段16和辐射低温段17，即依次到达辐射高温段光管18和辐射低温段光管19；换热介质例如以下所述的水罐中的水依次通过辐射高温段光管18和辐射低温段光管19，以吸收辐射段1中的热能；相应的，根据吸收热能的时间，辐射高温段光管18中的换热介质的温度相对低于辐射低温段光管19中换热介质的温度，其中，当所述换热介质为水时，辐射高温段光管18可以在辐射段1中定位为使得其中的水小于或等于汽化临界温度，辐射高温段光管18中不出现水蒸汽，并且辐射低温段19定位为使得其中的水继续吸热形成水蒸汽，即使得其中开始形成水蒸汽的光管集中在辐射段1的下游位置，形成水蒸汽导致的盐类析出、结垢集中在辐射段1的下游位置的光管中，便于对这一部分的光管结垢情况进行监控，且便于对结垢的光管进行维护。
辐射高温段16和辐射低温段17的设置，也就是辐射高温段光管18和辐射低温段光管19各自所在区域的选择需要以水的吸热蒸发情况作为根据，根据具体锅炉结构以及相关计算将辐射高温段光管18和辐射低温段光管19设置在合适的区域，使得进入辐射高温段光管18的水不会蒸发形成蒸汽(低于蒸发临界温度)，而仅在辐射低温段光管19中形成蒸汽。简单来说，辐射高温段16和辐射低温段17的划分是以流过辐射高温段光管18和辐射低温段光管19的水的状态(是否形成蒸汽)为标准。
参考图3，其简单地示出了辐射高温段光管18和辐射低温段光管19的布置方式，旨在说明换热介质先在辐射高温段16吸收热能，然后进入辐射低温段17吸收热能，且不在辐射高温段16和辐射低温段17之间往复交叉流动。
进一步地，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区12、烟气效应区13、烟气冷凝负压区14，即辐射段、对流段连接处设置有缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区12，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱的连接处的过流截面积，冷凝段上方的烟囱为烟气热压烟囱效应区15。
进一步地，还包括水罐8，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器10、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。水罐出水温度为常温25度。对流段光管、对流段翅片管之间的连接水路内的介质温度为254度。锅炉蒸汽出口的注汽管道内介质温度为369度，干度为90％。
进一步地，所述水罐与冷凝段换热光管之间的连接水路上设置软化器9。
进一步地，所述除氧器与对流段光管之间的连接水路上设置柱塞泵11。该段水路内的介质温度为60度。
进一步地，所述冷凝段设置冷凝挡板，冷凝挡板位于冷凝段换热光管下方，冷凝挡板同时位于对流段光管上方，所述冷凝挡板设置接水槽，接水槽边缘具有排水口，排水口通过管路连接回收罐6，所述回收罐通过冷凝水回收泵7连接水罐。
进一步地，所述对流段翅片管、高干段翅片管之间连接的水路经过辐射段，该段水路内的介质温度325度。即该水路依次经过辐射高温段光管18和辐射低温段光管19。
进一步地，所述的辐射高温段16采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；所述的辐射低温段17采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；对流段与辐射段连接处通过设置烟气折流板减小过流截面积，形成烟气喷管效应区；冷凝段通过烟气冷凝换热，烟气中水蒸气凝结，烟气体积收缩形成负压区；冷凝段的出口连接有尾部烟囱，尾部烟囱的内部烟道形成烟气热压烟囱效应区，以形成负压抽吸环境，其中，进入尾部烟囱内的烟气温度为56度。
进一步地，采用辐射对流换热5:5的比例。
结合图3可以看出本发明的实施方式为：所述一种新型油田高效燃气注汽锅炉，包括辐射段、对流段、高干段和冷凝段，所述辐射段包括沿烟气流动方向排列的辐射高温段16和辐射低温段17，所述辐射段设置有位于所述辐射高温段16的辐射高温段光管18和位于所述辐射低温段17的辐射低温段光管19；其中，所述烟气流动方向依次为辐射高温段光管18、辐射低温段光管19、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段光管。高干段安装在对流段光管区域和对流段翅片管区中间，沿辐射段轴线方向布置。冷凝段位于烟气效应区正上方。
本发明所述实施方案核心思想是：将辐射段分为烟气流动方向上游的辐射高温段16和下游的辐射低温段17，辐射高温段光管18和辐射低温段光管19分别处于不同温度的区域，使得水冷壁的换热更容易控制，管内换热流体的低温区域集中在上游且高温区域集中在下游，更便于监控结垢、超温安全发生区域，并且根据烟气、火焰温度不同可以采用不同的管壳材质；采用烟气冷凝器进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上；通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性；通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力；通过给水预热与烟气冷凝联合，提高给水水质。同时，整体锅炉尺寸缩短2-3米，降低了注汽锅炉的重量，有利于注汽锅炉的运输。
本发明将高干段布置在对流段光管区和翅片管区之间，通过对流段光管区管程低温水吸热，降低烟气对高干段光管的热冲击，同时有效提升蒸汽干度。
本发明采用烟气冷凝器可以进一步降低烟气温度，吸收烟气中水蒸气的汽化潜热，形成冷凝水，提高锅炉效率到100％以上。同时通过烟气冷凝后烟气体积收缩，降低烟气流动阻力。
本发明通过受热面优化和烟道结构设计，实现辐射段、对流段换热比例优化为5：5，换热更加符合天然气火焰放热特性。同时，通过烟气流动过程中的三次不同形式降压，降低尾部烟气阻力。
本发明通过给水预热与烟气冷凝联合，提高给水水质。同时，整体锅炉尺寸缩短2-3米，降低了注汽锅炉的重量，有利于注汽锅炉的运输。
本发明核心点包括换热比例均衡设计、烟道降阻结构设计、烟气冷凝余热回收设计和烟气预热给水除氧设计4个个方面。
换热比例均衡设计根据燃气注汽锅炉燃烧火焰短、热辐射热小的特点，重新调整对流段和辐射段换热比例，换热面布置顺烟气流动方向依次为辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段光管。高效高干燃气锅炉改变常规锅炉辐射与对流吸热6:4的比例，采用辐射对流换热5:5的比例，更加适合燃气锅炉燃烧特性，烟气侧整个换热过程更加合理高效。
烟道降阻结构设计包括烟气通过对流段翅片管尾部烟气喷管效应区、烟气效应区、冷凝段烟气负压区、烟气出口热压形成烟囱效应区，在总换热面积增加100平方米的条件下，烟道阻力保持不变。冷凝段出口烟气温度高于烟囱出口空气，热压形成烟囱效应区。整个尾部烟道形成负压抽吸环境，降低烟气流动阻力。
烟气冷凝余热回收设计通过在冷凝段尾部增加冷凝段换热光管，采用烟气通过壳程降温到55℃以下，天然气烟气中90％蒸汽形成冷凝水，实现烟气潜热回收，锅炉热效率大于100％。
烟气预热给水除氧设计通过将软化器出口水通入烟气冷凝换热区管程，通过与烟气换热后，给水温度升高约20℃，改变进入真空除氧器氧分压，提高锅炉给水除氧效果，给水不再需要加药即可满足运行条件。给水蒸汽流程循环利用，给水加热、除氧、蒸汽形成、再热，产生高干度蒸汽工艺布局。
虽然以上所有的实施例均使用图1至图3，但作为本领域的技术人员可以很清楚的知道，不用给出单独的图纸来表示，只要实施例中缺少的零部件或者结构特征在图纸中拿掉即可。这对于本领域技术人员来说是清楚的。当然部件越多的实施例，只是最优实施例，部件越少的实施例为基本实施例，但是也能实现基本的发明目的，所以所有这些都在本发明的保护范围内。
本申请中凡是没有展开论述的零部件本身、本申请中的各零部件连接方式均属于本技术领域的公知技术，不再赘述。比如焊接、丝扣式连接等。
在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种油田燃气注汽锅炉，包括沿烟气流动方向排列的辐射段、对流段、冷凝段，其特征在于，所述对流段设置有对流段光管、对流段翅片管，所述对流段光管、对流段翅片管之间加设有高干段，所述高干段设置有高干段光管、高干段翅片管，烟气依次经过辐射段、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、对流段翅片管、冷凝段换热光管；
其中，所述辐射段包括沿烟气流动方向排列的辐射高温段和辐射低温段，所述辐射段设置有位于所述辐射高温段的辐射高温段光管和位于所述辐射低温段的辐射低温段光管，换热介质依次流过所述辐射高温段光管和所述辐射低温段光管；
其中，所述辐射段、对流段、高干段、冷凝段的外壳所构成的通道结构为烟道降阻结构区，所述烟道降阻结构区包括烟气喷管效应区、烟气效应区、烟气冷凝负压区，辐射段、对流段连接处设置有缩径通道，该缩径通道为烟气喷管效应区，该缩径通道过流截面积同时小于辐射段、对流段的过流截面积，对流段、高干段所在的外壳内为烟气效应区，冷凝段所在的外壳内为烟气冷凝负压区，冷凝段下端口与对流段上端口连接处的过流截面积大于冷凝段上端口与烟囱的连接处的过流截面积。
2.根据权利要求1所述的油田燃气注汽锅炉，其特征在于，还包括水罐，水罐的给水依次通过冷凝段换热光管、除氧器、对流段翅片管、对流段光管、高干段光管、高干段翅片管、锅炉蒸汽出口的注汽管道。
3.根据权利要求2所述的油田燃气注汽锅炉，其特征在于，所述水罐与冷凝段换热光管之间的连接水路上设置软化器。
4.根据权利要求3所述的油田燃气注汽锅炉，其特征在于，所述除氧器与对流段光管之间的连接水路上设置柱塞泵。
5.根据权利要求2所述的油田燃气注汽锅炉，其特征在于，所述冷凝段设置有冷凝挡板，冷凝挡板位于冷凝段换热光管下方，冷凝挡板同时位于对流段光管上方，所述冷凝挡板设置接水槽，接水槽边缘具有排水口，排水口通过管路连接回收罐，所述回收罐通过冷凝水回收泵连接水罐。
6.根据权利要求2所述的油田高效燃气注汽锅炉，其特征在于，所述对流段翅片管、高干段翅片管之间连接的水路经过辐射段。
7.根据权利要求1或3或4或5所述的油田燃气注汽锅炉，其特征在于，所述的辐射高温段采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；所述的辐射低温段采用单根水平蛇形布置的水冷壁，中间形成圆筒状炉膛；对流段与辐射段连接处通过设置烟气折流板减小过流截面积，形成烟气喷管效应区；冷凝段通过烟气冷凝换热，烟气中水蒸气凝结，烟气体积收缩形成负压区；冷凝段的出口连接有尾部烟囱，尾部烟囱的内部烟道形成烟气热压烟囱效应区，以形成负压抽吸环境。
8.根据权利要求1或3或4或5所述的油田燃气注汽锅炉，其特征在于，采用辐射对流换热5:5的比例。
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