趙 慶 梁光川

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

海上稠油熱采小型化蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及應(yīng)用分析

趙 慶 梁光川

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

目前在海上油田作業(yè)中熱采技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)比較成熟，主要是針對(duì)稠油進(jìn)行開采。不過，由于受到海上環(huán)境及各種條件的限制，要求熱采設(shè)備必須小型化、高效化，因此筆者對(duì)一種小型蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)可以快速、連續(xù)的產(chǎn)生高干度蒸汽，對(duì)海上油田生產(chǎn)起到積極的推動(dòng)作用。

稠油熱采；小型化發(fā)生系統(tǒng)；計(jì)算

蒸汽熱采作為一種國內(nèi)外普遍認(rèn)可的稠油開采工藝已經(jīng)非常成熟，然而海上開展蒸汽熱采則會(huì)遇到海上環(huán)境腐蝕、平臺(tái)甲板面積有限、吊機(jī)能力較輕、甲板單位面積載荷小、熱采用水困難等問題。筆者介紹了一種綜合考慮上述問題的能夠適應(yīng)海上平臺(tái)工作環(huán)境小型化蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)。

一、小型化發(fā)生系統(tǒng)介紹

小型化蒸汽發(fā)生系統(tǒng)分為小型化蒸汽發(fā)生器和小型化軟化水處理器兩部分組成，小型化蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是先將平臺(tái)水源，經(jīng)過離心泵加壓進(jìn)入一、二級(jí)軟化水罐進(jìn)行離子交換，去除水中鈣、鎂離子實(shí)現(xiàn)水質(zhì)軟化，軟化后的水再經(jīng)過熱力水箱使水加熱至沸點(diǎn)將水中的氧氣排出，實(shí)現(xiàn)去除氧的目的。處理完后的軟化水通過高壓柱塞泵增壓至21MPa進(jìn)入高壓輻射對(duì)流盤管區(qū)，同燃燒器所燃燒重油或天然氣放出的高溫?zé)煔鉄徇M(jìn)行輻射換熱和對(duì)流換熱，將受壓盤管內(nèi)的軟化水加熱到具有一定干度的汽水混合物，再由汽水分離器進(jìn)行物理分離，最終產(chǎn)生蒸汽干度為90%以上的汽水混合物。

二、小型化蒸汽發(fā)生系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)

小型化蒸汽發(fā)生器分為六部分組成，1.盤管；2.燃燒室；3.燃燒器；4.汽水分離器；5.控制箱；6.水泵，小型化蒸汽發(fā)生器采用圓形立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，燃燒器通過采用旋風(fēng)式燃燒專利技術(shù)，可以提高燃燒效率同時(shí)也可以減少鍋爐內(nèi)部煙氣不均勻系數(shù)，最大程度的實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)受熱均勻。高壓受熱管束采用12Cr1MoVG材質(zhì)，該材質(zhì)表面溫度在580℃時(shí)仍可以保證材料的安全性，同時(shí)受熱管束采用變化管徑的大小，有效的降低蒸汽水阻力，使設(shè)備電耗處于一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行下。通過巧妙的增加立式汽水分離器將高壓管束內(nèi)的濕飽和蒸汽進(jìn)一步分離，形成干度大于90%的蒸汽。

蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)在保證蒸發(fā)量的同時(shí)將蒸汽的干度較陸地鍋爐提高了10%，根據(jù)水蒸氣特性可知，鍋爐的出力即功率較陸地油田同等噸位鍋爐高出10%，有效地提高了注汽質(zhì)量，增強(qiáng)了蒸汽吞吐的效果。同時(shí)設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)總共分為9個(gè)模塊：1.發(fā)生器上部高壓管束；2.發(fā)生器下部高壓管束；3.發(fā)生器正壓防爆間上部；4發(fā)生器正壓防爆間下部；5.鍋爐軟化水器模塊；6.高壓泵模塊；7.閃蒸罐模塊；8.除氧水罐模塊；9.汽水分離器模塊。各模塊重量均小于9噸可以滿足海上所有平臺(tái)吊機(jī)能力的要求。

由于蒸汽發(fā)生器采用立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所以大幅降低了平臺(tái)使用面積。發(fā)生器采用在線蒸汽吹灰解決了以往停爐才能實(shí)現(xiàn)吹灰的問題，增強(qiáng)了鍋爐效率，同時(shí)控制部分采用蒸汽干度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，可以有效地監(jiān)測(cè)蒸汽的注汽干度、瞬時(shí)注入熱能、累計(jì)注汽總熱能，即便臨時(shí)中斷后再次注汽也能及時(shí)準(zhǔn)確的計(jì)算出剩余注入能量的多少。

三、輻射受熱面計(jì)算

由于采用先進(jìn)的旋風(fēng)燃燒技術(shù)同時(shí)輻射區(qū)域采用圓形設(shè)計(jì)，這樣可以將發(fā)生器燃燒室燃燒基本完全對(duì)稱，這樣保證了發(fā)生器燃燒室內(nèi)部所有區(qū)域的受熱均衡，從輻射受熱面的熱有效性系數(shù)

S′----輻射受熱面的灰污系數(shù)

X----輻射受熱面的角系數(shù)

從(1)可以得出，受熱面有效性系數(shù)同角系數(shù)和輻射受熱面的灰污系數(shù)有關(guān)系。輻射受熱面的灰污系數(shù)在燃料為重油時(shí)為0.55，水冷壁角系數(shù)，與水冷壁的相對(duì)管距s/d(s----管距，d----管徑)及水冷壁管距爐墻的相對(duì)距離e/d有關(guān)(e----水冷壁管中心到爐墻的距離)，當(dāng)s/d=1時(shí)角系數(shù)達(dá)到最大值1，而小型化蒸汽發(fā)生器輻射區(qū)域采用螺旋盤管式結(jié)構(gòu)即s=d即s/d=1，所以采用螺旋盤管式結(jié)構(gòu)作為輻射區(qū)域可以在同等輻射面積的情況下最大的縮小體積。

四、對(duì)流受熱面計(jì)算

小型化蒸汽發(fā)生器對(duì)流受熱面采用螺旋蚊香盤管錯(cuò)列式結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在有限的體積內(nèi)能布置更多的對(duì)流受熱面積，同時(shí)煙氣沖刷管束的速度較普通煙氣速度增加近一倍，見換熱計(jì)算公式：

--對(duì)流換熱量(kJ/kg)；H--對(duì)流換熱面積(m2)；Δt--對(duì)流放熱溫壓(℃)；k--對(duì)流換熱系數(shù)；Bj--計(jì)算燃料消耗量(kg/h)

這樣從(2)中可以看出對(duì)流換熱量同對(duì)流換熱面積、溫壓、換熱系數(shù)以及計(jì)算燃料消耗量有關(guān)，計(jì)算燃料消耗量在燃料為油時(shí)已經(jīng)是定值。而k對(duì)流換熱系數(shù)由于公式3所決定：

1/α1。煙氣側(cè)熱阻(m2時(shí)℃/千焦)；δh/7}。受熱面煙氣側(cè)灰污層熱阻(m2時(shí)℃/千焦)；δgb/ λgb。受熱面管壁金屬熱阻(m2時(shí)℃/千焦)；δsb/ λsb受熱面內(nèi)部工質(zhì)側(cè)水垢層的熱阻(m2時(shí)℃/千焦)；1/α2，工質(zhì)側(cè)熱阻(m2時(shí)℃/千焦)

αd對(duì)流放熱系數(shù)(m2時(shí)℃/千焦)；αf輻射放熱系數(shù)(m2時(shí)℃/千焦)

λ煙氣在管簇中的平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)(m2時(shí)℃/千焦)；d管徑(m)；w煙氣流速(m/s)；煙氣在管簇中的平均溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)；Pr煙氣在管簇中平均溫度下的普朗特準(zhǔn)則。

通過(3)、(4)、(5)可以得知，煙氣流速每增加一倍，將給Qch。對(duì)流換熱量增加1.57倍的換熱量，同時(shí)每增加一倍對(duì)流換熱面積將給Qch。對(duì)流換熱量增加1倍的換熱量。所以采用蚊香盤管錯(cuò)列式對(duì)流換熱可以大幅度提高煙氣對(duì)流吸熱能力從而降低結(jié)構(gòu)的體積和占地面積。

五、結(jié)束語

小型化蒸汽發(fā)生系統(tǒng)采用立式盤管輻射結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中充分利用了燃燒器旋風(fēng)燃燒技術(shù)的專利特點(diǎn)以及在線蒸汽吹灰的優(yōu)勢(shì)，可以將蒸汽發(fā)生器將受熱面煙氣側(cè)灰污層熱阻實(shí)時(shí)處在最小狀態(tài)，傳熱最大。

利用幾項(xiàng)關(guān)鍵性設(shè)計(jì)和技術(shù)可以充分保證海上蒸汽發(fā)生系統(tǒng)小型化、模塊化、高效化，能夠適合海上工作環(huán)境和熱采技術(shù)要求，為海上稠油開采提供了全新的工作模式。

[1]鞏長明.淺談稠油開采工藝新技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量.2012，11：87.

[2]王學(xué)忠.稠油開采技術(shù)進(jìn)展[J].當(dāng)代石油石化.2010，01：26-29.