CN1804366A - 亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，属采油设备技术领域。包括燃烧室头部(1)、燃烧室壳体(2)、燃烧室内衬(3)和汽化室壳体(6)，燃烧室头部(1)插接于燃烧室壳体(2)前端，汽化室壳体(6)连接于燃烧室壳体(2)后端，燃烧室内衬(3)复置于燃烧室壳体(2)内周壁，与燃烧室壳体(2)之间形成水隔套(4)，燃烧室内衬(3)后段内周壁上设置有水喷嘴，其特征在于：所述的燃烧室壳体(2)与汽化室壳体(6)连接端中间嵌置金属密封件(5)密封，金属密封件(5)的前、后两密封面为球面，燃烧室壳体(2)和汽化室壳体(6)的被密封面为内锥面；燃烧室内衬(3)后端延伸复置于金属密封件(5)和汽化室壳体(6)前端内周壁，与金属密封件(5)内周壁之间也形成水隔套(4)。本发明耐高温高压燃烧，密封可靠性强。

Description

亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统
技术领域：
本发明涉及一种复合热载体发生器，特别是涉及一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统。属采油设备技术领域。
背景技术：
向油层注入饱和水蒸汽进行热采稠油是世界各国普遍采用的方法之一，已取得很好的采油效果和经济效益。饱和水蒸汽的产生设备叫做湿饱和水蒸汽发生器。湿饱和水蒸汽发生器是燃料和空气在燃烧室内低压燃烧，加热水管中的水使其汽化产生高压饱和水蒸汽。水蒸汽的压力可高达20MPa，利用这个压力把水蒸汽注入油层。但是这种设备产生的燃烧产物直接排放在大气中，不但污染环境，而且还带走大约燃料的10％热量。再者，由于燃烧产物中主要成分是二氧化碳和氮气，这两种物质对于稠油和稀油油层的三次开采都是很有用的物质，在油田采油中有的单独注入二氧化碳，有的单独注入氮气。
为了把燃烧产物用上，于是研制出了复合热载体发生器，又叫做燃气蒸汽发生器。燃气蒸汽发生器是燃料与空气在燃烧室中高压燃烧(燃烧压力可高达20MPa)，产生高温高压燃气，靠高温高压燃气把在燃烧室后端喷入的水汽化成水蒸汽。燃气和水蒸汽的混合汽，称做复合热载体。复合热载体压力可达20MPa，温度达350℃。复合热载体利用它的自身压力通过热采井口和油管直接注入油层。由于复合热载体中，二氧化碳对原油具有溶解作用，氮气对原油具有弹性驱动作用，水蒸汽对原油具有热力作用，在现有基础上，可提高原油采收率10％左右。我国目前适宜采用三次采油技术的原油储量已达数十亿吨以上，显然，如能将现有油田采收率提高1％，就等于又发现了一个大油田，其意义十分重大。但是，由于有些油田井深达2000米，需要更高的注汽压力，即注汽压力接近临界点压力(22.565MPa)，燃烧温度将有2000℃以上的高温，这就对设备的点火、燃烧室密封性、工作寿命、可靠性、可维修性等都是个严峻的考验。又因以往的结构设计不尽完善，在使用中发现诸如燃烧室头部靠近火焰侧受热辐射作用温度过高，发生龟裂现象，火花塞的端头有热熔现象，燃烧室内衬尾部变形且有烧蚀现象，汽化室内壁产生过热等不尽如人意之处，因此，对设备的燃烧系统做了进一步的改进和完善。
基于上述原因，ZL02231765.1公开了一种燃气蒸汽发生器，由燃烧室头部、燃烧室壳体、燃烧室内衬、汽化室壳体、冷却水通道以及密封件等组成。它采用了头部前端增设富油贫氧二次补燃机构、燃烧室内壁出口端的周壁上切向开有喷水孔、带有冷却水通道的的汽化室段内壁进口端的周壁上径向开有喷水孔和内壁外设有冷却水通道等一系列的技术措施，来解决上述烧蚀、变形、损坏等现象，但是，其还是存在有一些不足：
1、所述的汽化室前段套接在燃烧室后段，两者之间用普通的密封圈密封，因普通密封圈不耐高温，密封圈冷却效果不好，密封不可靠。
2、因所述的燃烧室靠近汽化室端与燃烧室壳体和汽化室之间的密封可靠性较差，使靠近燃烧室头部端的动密封很困难实现。
3、所述燃烧室头部各部件如空气接嘴、油接嘴、油喷嘴、水接嘴、旋风器等均采用焊接的方式与头部壳体固定连接成一整体，而这些部件均为高温高压易损件，因此，采用这种连接方式后实施维修、更换很不方便。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能满足燃烧温度在2000℃以上、最高工作压力为亚临界压力条件下的高可靠密封性的亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统。
本发明的目的是这样实现的：一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，包括燃烧室头部、燃烧室壳体、燃烧室内衬和汽化室壳体，所述的燃烧室头部插接于燃烧室壳体前端，汽化室壳体连接于燃烧室壳体后端，燃烧室内衬复置于燃烧室壳体内周壁，其外周壁与燃烧室壳体内周壁之间形成水隔套，燃烧室内衬内周壁上设置有水喷嘴，水喷嘴与水隔套相连通，燃烧室壳体内腔为燃烧室，汽化室壳体内腔为汽化室，其特征在于：所述的燃烧室壳体与汽化室壳体连接端中间嵌置金属密封件密封，所述的金属密封件的前、后两密封面为球面，燃烧室壳体和汽化室壳体的被密封面为内锥面；所述的燃烧室内衬后端延伸复置于金属密封件和汽化室壳体前端内周壁，其前端外周壁与金属密封件内周壁之间也形成水隔套。这样，金属密封件与燃烧室壳体和汽化室壳体之间永远为线接触，密封可靠。同时用冷却之水对金属密封件冷却后，再从水喷嘴喷入汽化室，更提高了金属密封件的耐高温高压性能。另外，所述的燃烧室壳体与汽化室之间采用中间金属密封件连接的方式可以实现燃烧室内衬两端动、静密封的配合。
本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，所述的燃烧室内衬后端为静密封，前端自由放置。其具体做法是：金属密封件后端中间向后延伸出一螺纹法兰，螺纹法兰内周壁设有内螺纹，所述的燃烧室内衬后端外周壁面上设置有外螺纹，该外螺纹与螺纹法兰内周壁上的内螺纹相配合；燃烧室内衬前端自由放置于燃烧室头部外周壁与燃烧室壳体前端内周壁之间，其内周壁与燃烧室头部外周壁之间设置“O”型密封圈密封。这样，燃烧室内衬与燃烧室壳体一头用静密封，一头用滑动密封，静密封在燃烧室出口，巧妙地用金属密封件与燃烧室内衬一头螺纹连接，金属密封件上的螺纹法兰压在燃烧室壳体与汽化室壳体中间，一方面密封燃烧室壳体和汽化室壳体，另一方面密封燃烧室内衬后端与燃烧室壳体。而动密封放在头部壳体外周壁与燃烧室内衬前端内周壁之间用“O”型密封圈密封，燃烧室内衬靠近内燃，温度高，膨胀量大，燃烧室内衬前端可延长度方向自由伸缩。
本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，所述的燃烧室头部包括头部壳体、空气接嘴、油接嘴、油喷嘴、旋风器、火花塞和水接嘴，所述的火花塞和水接嘴插接于头部壳体壳壁上，水接嘴与水隔套相连通，所述的空气接嘴和油接嘴、油喷嘴插接于头部壳体中间通孔内，旋风器活动连接于头部壳体前端，旋风器外周壁上沿周向设有呈螺旋状的旋风沟槽，旋风器内腔与头部壳体形成一个预燃室。有大部分的空气由头部壳体上的孔进入预燃室，与油接嘴、油喷嘴喷入的柴油燃烧。富油燃气温度低于完全燃烧燃气温度，保护头部内侧不烧坏。而剩余空气从头部壳壁上的旁路斜孔流出，沿旋风器外周壁上的旋风沟槽流动，进入燃烧室，与预燃室燃烧的富油燃气相撞、混合、补燃，充分燃烧。在此，燃烧室头部各部件如空气接嘴、油接嘴、油喷嘴、水接嘴、旋风器等与头部壳体之间均采用插接或螺接的方式活动连接，因此可以很方便实现所述各零部件的维修、更换，以提高使用范围。此外，为防止燃烧室内衬与头部壳体之间的动密封“O”型密封圈过热，在设计上巧妙地利用流经旋风器外周壁上的旋风沟槽的空气流在旋风器外周壁与燃烧室内衬内周壁之间形成气膜冷却。
本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，所述的燃烧室内衬后段内周壁上的水喷嘴沿内衬长度前、后分多排分布，前几排水喷嘴采用沿内衬切线方向左旋、右旋或右旋、左旋、或左左右右、右右左左交叉布置，最后一排水喷嘴沿径向方向布置。前几排切线方向便于沿内衬内壁形成液膜冷却，最后一排径向方向，便于与燃烧室汽流掺混、雾化和汽化。
本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，所述的水隔套内形成呈螺旋状或竖条状的冷却水通道。冷却水在水隔套内为螺旋形或直线形走向，用于雾化的水先进入水隔套，沿螺旋方向或前后直线方向流动，对燃烧室内衬实施再生冷却，同时给水预热，便于在汽化室内汽化。
经过上述技术改进，本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统完全能满足其燃烧温度在2000℃以上、工作压力为亚临界压力条件下的高可靠密封性的要求。
具体实施方式：
图1为本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统示意图。
图2为图1的A-A剖示放大图。
图3为图1的I放大图。
图4为图1的II放大图。
图5图1的左侧视图。
图6为图5的B-B剖示放大图。
参见图1～2，本发明亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，主要由燃烧室头部1、燃烧室壳体2、燃烧室内衬3、金属密封件5、汽化室壳体6、联接法兰7、双头螺柱8、螺母9和透镜垫10组成。燃烧室壳体2内腔为燃烧室21，汽化室壳体6内腔为汽化室61。所述的燃烧室头部1插接于燃烧室壳体2前端，汽化室壳体6连接于燃烧室壳体2后端。所述的燃烧室壳体2与汽化室壳体6连接端中间嵌置金属密封件5密封。所述的燃烧室内衬3复置于燃烧室壳体2内周壁，其外周壁与燃烧室壳体2内周壁之间形成水隔套4。水隔套4内形成呈螺旋状的冷却水通道。燃烧室内衬3内周壁上设置有水喷嘴31、32、33、34、35，水喷嘴31、32、33、34、35与水隔套4相连通。水喷嘴31、32、33、34、35沿内衬长度前、后分五排分布，第一、第三排水喷嘴31、33沿内衬切线方向右旋，第二、第四排水喷嘴32、34沿内衬切线方向左旋，第五排水喷嘴35沿径向方向布置。所述的燃烧室壳体2与汽化室壳体6连接端外周壁面上设置联接法兰7，用双头螺柱8和螺母9轴向固定联接。所述的燃烧室头部1与燃烧室壳体2连接端中间嵌置透镜垫10，外周壁设置联接法兰7，用双头螺柱8和螺母9轴向固定联接。
参见图3，所述的金属密封件5的前、后两密封面51、52为球面，燃烧室壳体2和汽化室壳体6的被密封面为内锥面。金属密封件5中间开设有回水孔53，该回水孔53与水隔套4相连通，金属密封件5内插置温度传感器54(图2)。所述的燃烧室内衬3后端延伸复置于金属密封件5和汽化室壳体6前端内周壁，其前端外周壁与金属密封件5内周壁之间也形成水隔套4。所述的金属密封件5后端中间向后延伸出一螺纹法兰55，螺纹法兰55内周壁设有内螺纹，所述的燃烧室内衬3后端外周壁面上设置有外螺纹，该外螺纹与螺纹法兰55内周壁上的内螺纹相配合连接，且压紧金属垫36(图1)，为静密封。
参见图4，所述的燃烧室内衬3前端自由放置于燃烧室头部1外周壁与燃烧室壳体2前端内周壁之间，其内周壁与燃烧室头部1外周壁之间设置“O”型密封圈37密封。
参见图5、6，所述的燃烧室头部1主要由头部壳体11、空气接嘴12、油接嘴、油喷嘴13、透镜垫14、外套螺母15、“O”型密封圈16、旋风器17、火花塞18和水接嘴19组成。所述的火花塞18和水接嘴19插置于头部壳体11壳壁上，水接嘴19与水隔套4相连通。
所述的空气接嘴12空套在油接嘴、油喷嘴13外，两者内、外壁面间形成空气进气通道121，空气接嘴12和油接嘴、油喷嘴13插入头部壳体11的中心通孔内，头部壳体11后段壳壁内开设有多个斜孔111，斜孔111旁的头部壳体11壳壁上还旁设有多条旁路斜孔112，油接嘴、油喷嘴13后端壳壁上开设有多条斜孔131，头部壳体11壳壁上的斜孔111首端与空气进气通道121相连通，末端与油接嘴、油喷嘴13上的斜孔131相连通，而油接嘴、油喷嘴13上的孔131末端与油接嘴、油喷嘴13中心的油通道汇聚于头部壳体11前端中心，头部壳体11上的旁路斜孔112首端与其上的斜孔111相连通，末端设置于头部壳体11中间的台阶端面上，旋风器17后端面与头部壳体11上的旁路斜孔112末端相邻。

Claims (9)

1、一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，包括燃烧室头部(1)、燃烧室壳体(2)、燃烧室内衬(3)和汽化室壳体(6)，所述的燃烧室头部(1)插接于燃烧室壳体(2)前端，汽化室壳体(6)连接于燃烧室壳体(2)后端，燃烧室内衬(3)复置于燃烧室壳体(2)内周壁，其外周壁与燃烧室壳体(2)内周壁之间形成水隔套(4)，燃烧室内衬(3)内周壁上设置有水喷嘴(31、32、33、34、35)，水喷嘴(31、32、33、34、35)与水隔套(4)相连通，燃烧室壳体(2)内腔为燃烧室(21)，汽化室壳体(6)内腔为汽化室(61)，其特征在于：所述的燃烧室壳体(2)与汽化室壳体(6)连接端中间嵌置金属密封件(5)密封，所述的金属密封件(5)的前、后两密封面(51、52)为球面，燃烧室壳体(2)和汽化室壳体(6)的被密封面为内锥面；所述的燃烧室内衬(3)后端延伸复置于金属密封件(5)和汽化室壳体(6)前端内周壁，其前端外周壁与金属密封件(5)内周壁之间也形成水隔套(4)。
2、根据权利要求1所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的燃烧室内衬(3)后端为静密封，前端自由放置。
3、根据权利要求2所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的金属密封件(5)后端中间向后延伸出一螺纹法兰(55)，螺纹法兰(55)内周壁设有内螺纹，所述的燃烧室内衬(3)后端外周壁面上设置有外螺纹，该外螺纹与螺纹法兰内周壁上的内螺纹相配合；燃烧室内衬(3)前端自由放置于燃烧室头部(1)外周壁与燃烧室壳体(2)前端内周壁之间，其内周壁与燃烧室头部(1)外周壁之间设置“O”型密封圈(37)密封。
4、根据权利要求1或2、3所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的燃烧室头部(1)包括头部壳体(11)、空气接嘴(12)、油接嘴、油喷嘴(13)、旋风器(17)、火花塞(18)和水接嘴(19)，所述的火花塞(18)和水接嘴(19)插接于头部壳体(11)壳壁上，水接嘴(19)与水隔套(4)相连通，所述的空气接嘴(12)和油接嘴、油喷嘴(13)插接于头部壳体(11)中间通孔内，旋风器(17)螺接或插接于头部壳体(11)前端，旋风器(17)外周壁上沿周向设有呈螺旋状的旋风沟槽(171)，旋风器(17)内腔与头部壳体(11)形成一个预燃室(172)。
5、根据权利要求1或2、3所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的燃烧室内衬(3)内周壁上的水喷嘴(31、32、33、34、35)沿内衬长度前、后分多排分布，前几排水喷嘴(31、32、33、34)沿内衬切线方向左旋、右旋或右旋、左旋、或左左右右、右右左左交叉布置，最后一排水喷嘴(35)沿径向方向布置。
6、根据权利要求1或2、3所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的金属密封件(5)中间开设有回水孔(53)，该回水孔(53)与水隔套(4)相连通。
7、根据权利要求4所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的空气接嘴(12)空套在油接嘴、油喷嘴(13)外，两者内、外壁面间形成空气进气通道(121)，空气接嘴(12)和油接嘴、油喷嘴(13)插入头部壳体(11)的中心通孔内，头部壳体(11)后段壳壁内开设有多个斜孔(111)，斜孔(111)旁的头部壳体(11)壳壁上还旁设有多条旁路斜孔(112)，油接嘴、油喷嘴(13)后端壳壁上开设有多条斜孔(131)，头部壳体(11)壳壁上的斜孔(111)首端与空气进气通道(121)相连通，末端与油接嘴、油喷嘴(13)上的斜孔(131)相连通，而油接嘴、油喷嘴(13)上的斜孔(131)末端与油接嘴、油喷嘴(13)中心的油通道汇聚于头部壳体(11)前端中心，头部壳体(11)上的旁路斜孔(112)首端与其上的斜孔(111)相连通，末端设置于头部壳体(11)中间的台阶端面上，旋风器(17)后端面与头部壳体(11)上的旁路斜孔(112)末端相邻。
8、根据权利要求1或2、3所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的水隔套(4)内形成呈螺旋状或竖条状的冷却水通道。
9、根据权利要求1或2、3所述的一种亚临界复合热载体发生器的高温高压燃烧系统，其特征在于：所述的燃烧室壳体(2)与汽化室壳体(6)连接端外周壁面上设置联接法兰(7)，用双头螺柱(8)和螺母(9)轴向固定联接；所述的燃烧室头部壳体(1)与燃烧室壳体(2)外周壁设置联接法兰(7)，用双头螺柱(8)和螺母(9)轴向固定联接。
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