26MPa超临界油田注汽锅炉的开发与应用.pdf

2 2 工业锅炉 2 0 1 4年第 3期 总第 1 4 5期 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 4 0 3 - 0 0 2 2 - 0 4 2 6 MP a超临界油田注汽锅炉的开发与应用 丁厚 东 ， 徐宏 国 ， 尹晓天 1 ．胜利油田胜利发电厂， 山东 东营 2 5 7 0 8 7 ； 2 ． 胜利油 田滨南采油厂， 山东 滨州 2 5 6 6 0 0 摘要 阐述了油田注汽锅炉技术现状和开发超临界注汽锅炉的必要性； 依据热力学、 流 体力学等理论， 对超临界注汽锅炉研制所涉及的工艺参数、 指标， 辐射段受热管的流量脉动 、 传 热恶化及受热管中积盐等问题进行论证探讨， 并提出了相应的措施和解决办法。介绍了新研制 的超临界注汽锅炉现场试验应用情况。 关键词 注汽锅 炉 ； 超临界 ； 设计 中图分类号 T K 2 2 9 文献标识码 A De v e l o p me n t a n d Ap p l i c a tio n o f 2 6 M Pa S u p e r c r i t i c a l P r e s s u r e S t e a m- i n j e c t i o n B o i l e r i n Oi l F i e l d 第一作 者 丁厚 东 1 9 6 6一 ， 男， 回族， 重 庆 大 学工 程 热 物 理专业 毕业 ， 现任 胜 利油 田胜 利 发 电 厂 首席专 家。研究方 向 热能动力设备安 全可靠性与经济性 。 D I N G H o u ． d o n g ， X U H o n g ． g u o ， Y I N X i a o t i a n 1 ． V i c t o r y O i l F i e l d V i c t o r y P o w e r P l a n t ，D o n g y i n g 2 5 7 0 8 7 ， S h a n d o n g ， C h i n a 2 ． V i c t o ry O i l F i e l d O f f s h o r e S o u t h P r o d u c t i o n P l a n t ， B i n z h o u 2 5 6 6 0 0， S h a n d o n g ， C h i n a Ab s t r a c t M a i n l y e l a b o r a t e s t h e r e c e n t s t a t u s o f s t e a m i n j e c t i o n b o i l e r w i d e l y u s e d f o r e x p l o i t i n g h e a v y o i l a n d t h e r e c o g n i z e d n e c e s s i t y o f d e v e l o p i n g s u p e r c r i t i e a l p r e s s u r e s t e a m i n j e c t i o n b o i l e r ．O n t h e b a s i s o f t h e t h o e r i e s o f t h e r m o d y n a m i c s a n d h y d r o d y n a m i c s ， t h e o p t i m i z e d p r o c e s s p ara m e t e a n d e v a l u a t i o n i n d e x e s f o r s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e s t e a m i n j e c t i o n b o i l e r a r e e x p l o r e d，s o me p r o b l e ms s u c h a s t h e fl o w p u l s a t i o n ， h e a t t r a n s f e r d e t e r i o r a t i o n a n d s a l t d e p o s i t i o n i n t h e t u b e s o f r a d i a t i o n s e c t i o n a r e a n a l y s e d， t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t o f a n e w s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e s t e a m i n j e c t i o n b o i l e r i s a l s o s h o w e d ． Ke y w o r d s s t e a m- i n j e c t i o n b o i l e r ； s u p e r c r i t i c a l p r e s s u r e ； d e v e l o p me n t O 引言 注汽锅炉 ， 又称湿蒸汽发生器 ， 属于直流锅炉类 型 ， 是油 田稠油开采不可或缺 的重要装备 。油 田稠 油开采的主要工艺是将高温高压湿蒸汽注入地下稠 油层 中， 提高油层温度、 降低 稠油粘度 ， 同时可使油 层压力升高、 增加驱油能力 ， 提高产量。我国应用注 汽锅炉对稠油热力开发始于 2 0世纪 8 0年代 ， 经过 近三十年的大规模开发， 高品位油藏的储量大幅度 递减 ， 现有油藏开采注汽压力需要提高到 2 5 M P a 甚 至更高， 否则无法实现开采目标。现有的注汽锅炉 工作压力主要是 1 7 ． 5 M P a 、 2 1 M P a 两种， 其特点是 压力低、 能耗高、 热效率低， 无法满足当前和未来稠 油开采实际需要。研制高压力、 高效率、 低能耗的注 汽锅炉是解决深层、 低渗和特超稠油开发 的有效途 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 4 - 0 2 径和必然趋势 ， 为此 ， 我们开展了超临界注汽锅炉研 制工作。 ． 1 ’超临界注汽锅炉研制时必须重视和防止 的几个问题 2 6 MP a 超临界注汽锅炉 ， 其升压过程要经历亚 临界和超临界两种工况 ， 随着压力上升 ， 水 的汽化潜 热趋 向于零 ， 水 、 汽两相区没有 明显的界面 ， 加上直 流锅炉蒸发受热面受热不均匀， 就有可能在锅炉内 出现一些特殊热力特性 ， 因此 ， 2 6 MP a 超临界压 力注汽锅炉研制时必须重视和防止以下三个问题。 1 辐射段受热管的流量脉动问题 注汽锅炉在运行 中会发生工况变化和遇到各种 扰动， 诸如热负荷变化、 压力变化、 给水量及水温变 化等， 这些变化可能破坏原来运行工况 而使强制流 动的受热管内工质出现脉动性流动。防止出现流量 脉动现象的有效方法是增加管 内质量流速 ， 使之超 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 2 6 MP a超临界油田注汽锅炉的开发与应用 过界限质量流速。 2 辐射段受热管的传热恶化问题 超临界压力 下工质虽为单相流体 ， 在最大 比热 区温度附近， 水的物性如 比容 、 比热 、 比焓 、 粘度等均 会发生急剧变化， 这些物性变化对传热有很大的影 响， 会发生传热恶化现象 。 防止或推迟传热恶化现象出现的主要措施有 二 一是增加管内工质质量流速 但同时会使流动 阻力增加 ， 在超临界压力工况下 ， 若燃烧室受 热面 壁面热负荷 g ／ 质量流速 p 小于 0 ． 4 2 ， 可保证在大 比热区不出现传热恶化现象 ； 二是受热面采用 内螺 纹管 ， 它对 防止 或推迟传热 恶化 的主要作 用在 于 a 工质在 内螺纹 的作用下形 成强烈 的旋转汽 流， 使水滴沉降到管壁上； b 由于汽流强烈旋转， 减小 了边界层的热阻， 强化传热， 降低壁温； c 增大管 子内表面积 ， 减低内壁热负荷 ； d 内螺纹槽中的液 膜不易被中心汽流卷吸携带 ， 从而避免膜态沸腾诱 发爆管 。 由于内螺纹管对推迟传热恶化和降低壁温峰值 的效果显著 ， 且制造工艺成熟 ， 目前工程应用中比较 普遍。 3 辐射段受热管 中积盐问题 在超 临 界 压 力 下 ， 最 大 比热 点 对 应 温 度 为 3 9 1℃ ， 该状态下由于比容发生剧烈变化 J ， 盐分在 工质中溶解度急剧下降而集 中沉淀在炉管 内壁 。为 防止管 内积盐 ， 必须采用反渗透膜分离装置进行除 盐， 但是该方式需要预处理， 投资大， 比二级钠离子 交换系统投资增加近百万元 ， 此外还存在运行 成本 高、 管理难度大 、 不适合在野外非连续运行等弊端。 在临界温度 3 7 4℃状态下 ， 由于 比容变化小 ， 工 质 内的盐分溶解度较大， 不会造成管 内壁积盐 ， 因此 水处理系统仍可采用传统 的二级钠离子交换器 ， 既 可保证设备安全运行， 又可节约投资费用和运行成 本 。 2 注汽锅炉主要参数设计 1 压力确定 从稠油开采工艺上 ， 当井深 2 2 0 0 m时 ， 井底压 力需要达到 3 9 M P a ， 对应井 口注汽压力为 2 6 M P a 即可满足注 汽需要。参照 电站超 临界锅炉设计 参 数 ， 超临界压力注汽锅炉设计压力确定在 2 6 MP a即 能满足工艺需求 ， 又能规避技术制约和安全风险。 2 容量确定 当锅炉容量增大时， 设备体积也相应增大， 受到 搬运载移和道路交通 运输 限制 ， 同时根据 以往的注 汽锅炉的额定出力， 单井注汽流量一般在 1 0 t ／ h以 下 ， 经现有燃烧器规格反算 ， 确定超临界注汽锅炉的 设计容量增大为 1 3 ． 5 t ／ h 。 3 辐射段出口温度确定 从理论上说， 出口温度越高越好， 但不仅受到材 质的限制 ， 而且受到超临界压力下工质积盐的制约。 如前所述 ， 为避开最大 比热区， 工质出口温度确定为 3 7 4℃， 水处理仍采用传统的二级钠离子交换系统。 3 安全可靠性方面的设计 1 热力计算 2 6 MP a超临界注汽锅炉在额定容量下 ， 燃烧室 受热面壁面热负荷按 g 8 8 k W／ m ， 质量流速按 p 1 7 0 0 k g ／ m s 设计 ， q ／ p w 0 ． 0 5 。理 论计算 和经验表 明， 在超 临 界压 力 工况 下 ， 满 足 q ／ p w 8 8 ％ 负荷范围 7 0 ％ ～1 0 0 ％ 图 1 注汽锅炉结构 图 过 部分经水水 热交换器 对流段 、 水水热交换 器、 辐射段后经出口管路至使用端 。 燃料系统流程 为 燃 烧器一辐射段一对流段一 图2 本体实物 锅炉汽水流程如 图 3 ， 给水经给水泵后依次经 出口烟道 。燃烧器有效放热量 为 2 51 0 。 k J ／ h 。 5 锅炉应用情况 胜利油 田王庄 油 田 z l 4 _2 、 z l 4 1 0、 z 1 4 一 l 1 等 3口井上周期原来用 2 1 MP a 亚临界锅炉注汽 ， 打 排放控制注汽压力 1 9 ． 6 M P a ， 没有达到方案设计指 标 ， 周期油气 比只有 0 ． 1 5 。2 6 MP a 超临界压力注汽 锅炉在王庄油田现场试验 时， 注汽锅炉平均注汽压 力 2 4 MP a ， 注汽达到方案要求 ， 周期油汽比 1 ． 1 6 ， 取 得 了理想的采 油效果。2 6 MP a超 临界压力注汽锅 炉和 2 1 MP a亚临界锅炉对比情况见表 1 。 图3 注汽锅炉汽水系统流程图 表 1 2 6 MP a 超临界注汽锅炉与 2 1 MP a亚临界锅炉对比情况 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 研究与开发 2 6 MP a 超临界油田注汽锅炉的开发与应用 目前 ， 首 台超 临界注汽锅炉注汽 9 2井次 ， 累计 运行 2 6 7 0 0 h ， 累计注汽 1 0 ． 7 7万 t ， 阶段累计产油 4 ． 3 万 t 。该锅炉已在胜利油田推广应用 5台套。 6 结语 1 超临界注汽锅炉本体 由辐射段 、 对流段 、 给 水系统和燃烧 系统组成 ， 全 自动控 制 ， 整体结 构紧 凑 ， 安装在拖车上 ， 适应野外流动作业。该产 品顺应 油田开发要求， 将会成为深层、 低渗、 特超稠油开发 的重要设备。 2 现场应用情况表 明， 超 临界 注汽锅炉设计 计算合理 ， 材质选择得 当， 运行安全可靠 ， 极大地增 强了稠油开采 能力， 达 到了预期效果 ， 应用前 景广 阔。盈 参考文献 [ 1 ] 林 日亿 ， 王弥康， 张建．超临界压力注汽锅炉注汽方案的 研究及应用[ J ] ．石油大学学报自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 7 3 7 3 7 5 ， 8 5 ． [ 2 ] 张紫军， 姜泽菊， 陈玉丽， 等．深层稠油油藏超临界压力 注汽开发技术研究[ J ] ．石油钻采技术 ， 2 0 0 4， 3 2 6 5 8 6 O． [ 3 ] 林 日亿 ， 王弥康， 苗春华， 等．开采超深稠油注超临界压 力水方案与管线设计[ J ] ．石油机械 ， 2 0 0 3 ， 3 1 1 1 2 4 2 6， 2 9， 7 67 7． [ 4 ] 翟勇， 张紫军， 栾志勇， 等． 胜利油 田超临界注汽配套工 艺研究与应用[ J ] ． 石油地质与工程， 2 0 0 8 ， 2 2 6 7 8 83． ，， - ， l ● ’ ●’ l ， ， l ’ ’ l ， ， l’ ， l l， ， ，’ ， ， ’ ’ l● l l l ， ’ l l ， ，， ， l l l， ’ ● ， l 上接第 1 2页 4 结论 1 立式燃 气锅炉体积小 、 启动快 、 清洁环保 ， 有着广阔的应用前景 。 2 螺旋槽管、 横纹管、 螺纹管等异型管及扭 带、 螺旋线、 大空隙率绕花丝等管内插入物强化传热 技术在燃气锅炉 中已有使用 ， 实践证明其效果 良好。 3 鉴于立式燃气锅炉整体效率偏低， 可将锅 炉烟管做成波纹管形式或内外翅片管形式 ， 以提 高 烟管传热系数 、 降低排烟温度 、 提高锅炉效率 。 4 热管作为锅炉烟管， 可作为今后立式新型 燃气锅炉发展的一个思路。盟 参考文献 [ 1 ] 雷钦祥 ， 汪新球， 高新红． 我国燃油燃气锅炉节能技术研 发及市场发展前景[ J ] ． 工业锅炉， 2 0 1 2 1 1 9 ． [ 2 ] 苏俊林 ， 王震坤 ， 矫振伟． 热管式强化传热燃气锅炉研制 [ J ] ． 工业锅炉 ， 2 0 0 7 5 2 1 2 3 ． [ 3 ] 唐玉峰， 田茂诚 ， 冷学礼． 螺旋槽管内流动换热场协同分 析[ J ] ． 山东大学学报 工学版 ， 2 0 1 1 2 1 5 8 1 6 2 ． [ 4 ] 赵玺灵， 张兴梅 ， 段常贵， 等． 锅壳式燃油 气 锅炉的强 化传热技术[ J ] ． 煤气与热力， 2 0 0 5 3 6 8 7 2 ． [ 5] 程俊国， 冯骏 ， 靳明聪， 等． 螺纹管 的传热和流 阻性能 [ J ] ． 重庆大学学报 自然科学版 ， 1 9 8 0 3 8 1 9 4 ． [ 6 ] 孔建． 强化传热技术在小型烟火管锅炉中的应用[ J ] ． 工 、 I 锅 炉 ， 1 9 9 1 2 2 32 6 ， 1 8 ． [ 7 ] 夏德宏 ， 尚迎春， 王建国． 锅炉烟气侧传热强化器的开发 及应用[ J ] ． 工业炉 ， 2 0 0 9 ， 3 1 3 1 3 ． [ 8 ] 陈听宽． 对流受热面传热强化研究进展[ J ] ． 工业锅炉， 2 0 0 4 256 ． [ 9 ] 宇波， 王秋旺， 陶文铨． 波纹内翅片管换热与阻力特性的 实验研究 [ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 0 3 3 3 4 3 3 7 ． [ 1 0 ] B ．Y u ， J ．H．N i e ， Q ．W．Wa n g ， W．Q ．T a o ． E x p e fi m e n t a l s t u d y o n t h e p r e s s u r e d r o p a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f t u b e s w i t h i n t e r n a l w a v e l i k e l o n g i t u d i n a l fi n s [ J ] ． He a t a n d Ma s s Tr an s f e r ， 1 99 9， 3 5 6 5 7 3 ． [ 1 1 ] L i n L i u ， Y u e z h o n g F a n ， X i a n g L i n g ， H a o P e n g ． F l o w a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e ri s t i c s o f fi n n e d t u b e w i t h i n t e r n a l a n d e x t e r n a l fi n s i n a i r c o o l e r f o r wa s t e h e a t r e c o v e r y o f g a s fi r e d b o i l e r s y s t e m[ J ] ． C h e m i c a l E n g i n e e ri n g a n d P r o c e s s - i n g。 2 01 3 6 33 463 4 4． [ 1 2 ] G i a m p i e t r o F a b b r i ． H e a t t r a n s f e r o p t i mi z a t i o n i n i n t e mal l y fi n n e d t u b e s u n d e r l a m i n a r fl o w c o n d i t i o n s 『 J 1 ． He a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 1 9 9 8， 41 1 2 4 31 2 5 3 ． [ 1 3 ]Z h e n g g u o Z h a n g ， D a b i n Ma ， X i a o mi n g F ang ， X u e n o n g Ga o ． Exp e rime nt a l a nd nu me ric a l he a t t r a ns f e r i n a he l i c a l l y b a f fl e d h e a t e x c h a n g e r c o mb i n e d wi t h o n e t h r e ed i m ． en s i o n al fi n n e d t u b e [ J ] ． C h e m i c al E n g i n e e ri n g a n d P r o c e s s i n g 2 0 0 8， 4 7 1 7 3 81 7 4 3 ． [ 1 4 ] 王忠． 螺旋肋片管在电厂 4 1 0 t ／ h锅炉上的应用[ J ] ． 四 川电力技术， 2 0 0 1 6 1 2 1 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m