稠油热采燃煤注汽锅炉研究.docx

专题研究3稠油热采燃煤注汽锅炉研究李晓慧李威吴永宁陆芳(辽河石油勘探局总机械厂 )摘要针对注蒸汽热力开采稠油会耗用大量原油或天然气的问题 , 研制了稠油热采燃煤注汽锅炉 。它采用链条炉排直流锅炉的技术方案 , 柴油机直驱高压泵智能断电补水系统以及柔性鳍片 管膜式水冷壁 、锻造厚壁管集箱等技术 , 攻克了燃料结构调整后的技术难关。经过热工测试和环 保测试 , 该锅炉的各项环保指标符合国家节能和环保标准要求 。2007 年在辽河油田推广应用23 t / h燃煤注汽锅炉 8 台 , 投产后每年可节约原油 6 万余吨 。此外 , 新研制的 QXL48 1715 A 型燃煤注汽锅炉可同时为 810 个井组注汽 , 完全满足稠油热采蒸汽驱技术的需求。关键词稠油开采热采注汽锅炉链条炉排柔性鳍片管注蒸汽热力开采是稠油油田开发和稠油井生产的主要方式 , 这种稠油开采方式需要配置注汽锅炉 或湿蒸汽发生器 , 用以生产、供给大量的湿饱和蒸 汽。目前 , 现场采用的注汽锅炉通常采用原油或天 然气作为燃料 , 在稠油开采过程中会耗用大量原油 或天然气 。据统计 , 仅辽河油田每年注汽锅炉所耗 用的原油 (天然气按折算值 ) 约为 120 万 t, 相当 于我国一个小型油田的产量。我国现在已成为原油 进口国 , 40 %以上的原油需求依赖进口 , 每年进口 原油需花费巨额资金 。而作为原油重要替代燃料的 煤炭 , 储量却相对丰富 。我国是煤炭储量的第 3 大 国 , 原煤产量也居世界前列 , 燃煤注汽锅炉的原料 保证十分可靠。因此 , 研制燃用原煤的注汽锅炉无 论对油田开发经济性还是能源合理应用都具有十分 重要的意义 。统 、燃料系统、燃烧系统、锅炉本体、烟风系统、灰渣系统、控制系统和断电保护系统 。其工艺流程 见图 1。图 1 燃煤注汽锅炉工艺流程图1 水罐 ; 2 水处理系统 ; 3 泵段 ; 4 热水循环系统 ; 5铲车 ; 6 受 煤 斗 ; 7 槽 式 给 料 机 ; 8 大 倾 角 皮 带 输 送机 ; 9 小溜煤管 ; 1 0 储煤仓 ; 1 1 大溜煤管 ; 1 2 燃烧系统 ; 1 3 锅炉本体 ; 1 4 一级除尘 ; 1 5 二级除尘 ;16 除灰机 ; 17 鼓风机 ; 18 除渣机 ; 19 引风机 ; 20 烟囱( 1 ) 汽水系统 由主供水线、断电保护供水 线和站内循环线构成。主供水线的工艺流程为 : 站 外来水进入 50 m3 生水罐 , 经软化除氧装置处理后 由主给水泵供给锅炉 ; 锅炉加热产生的湿饱和蒸汽 通过注汽管网供给注汽井 , 注入井下油层。断电保 护供水线的流程 : 站外来水进入 50 m3 生水罐 , 由技术分析燃煤注汽锅炉采用链条炉排直流锅炉的技术方案 , 研制了柴油机直驱智能断电保护系统 , 应用柔性鳍片管膜式水冷壁 、锻造厚壁管集箱等技术 ,克了燃料结构调整后的技术难关 。11结构组成与工艺流程攻燃煤注汽锅炉及其配套系统主要包括汽水系3稠油热采燃煤注汽锅炉已申请国家发明专利 , 申请号 : 20061004736717; 断电停水保护系统已申请国家发明专利 , 申请号 :20061004736211。 6 石 油机 械2008年 第 36卷 第 10期辅助给水泵供给锅炉 , 加热后的热水经扩容器进入排放水箱 , 再进入清水池。站内循环线流程 : 清水 池的热水由热水泵供给锅炉 , 加热后经扩容器进入排放水箱 , 再进入清水池 , 如此在站内反复循环。烟气经一级 、二级除尘器除尘后沿烟道进入引风机 ,再由烟道输至烟囱排出。( 6 ) 灰渣系统由渣沟、重型板链除渣机、渣场构成。灰渣由炉排排至渣沟并沿渣沟送至重型板链除渣机 , 再送去渣场 。( 2 ) 燃料系统由干煤棚 、受煤斗 、槽式给料机、大倾角胶带输送机、储煤仓 、大溜煤管 、小溜煤管及分层给煤机构成。干煤棚内的燃料煤由受 煤斗送至槽式给料机 , 再由大倾角胶带输送机经小 溜煤管送至储煤仓 , 经大溜煤管输至分层给煤机 , 供给锅炉本体的炉排燃烧。( 7 ) 控制系统由 触 摸 屏、可 编 程 控 制 器( PLC) 、变频器、盘显仪表和变送器构成 , 分为自动和手动 2种工作模式。给水温度、锅炉排量、蒸 汽压力、蒸汽温度、二次对流温度、排烟温度、排 烟含氧等参数分别显示于触摸屏和盘显仪表 , 二者 相互独立。控制系统具有联锁启动、联锁停运以及 各种报警功能 , 当超出预设的报警极限时 , 控制系统会发出声光报警信号 , 保证系统安全、高效运转。( 8 ) 断电停水保护系统 由传感器和 PLC 组 成 。当通过给水压力流量采集信号检测到断电停泵 缺水信息时 , 该系统可迅速启动备用柴油机补水( 3 ) 燃烧系统由炉前煤舱、分层给煤机 、炉排、尾部密封门、水冷壁、高温燃烧室、低温燃烧室及燃烬沉灰室构成 (如图 2 所示 ) 。分层给煤 机将煤按粒度大小有序地播撒在炉排上 , 上层为细 屑状煤 , 中层为小粒状煤 , 下层为块煤 , 有利于火 床通风和着火燃烧 ; 炉膛由前拱 、中拱、后拱水平 分割成上下 2段 , 上段为燃烧挥发成分的低温燃烧 室 (亦称燃烧换热室 ) , 下段为重点燃烧难燃物固 定碳 (俗称焦碳 ) 的高温燃烧室 , 中拱除保持火 床的高温燃烧外 , 还迫使高温火焰在拱下向前后流 动 , 向前加强煤的着火 , 向后加强煤的燃尽 ; 燃烬 沉灰室设在炉膛出口处 , 烟气向下流动然后转向 上 , 构成一个 180 大转弯 , 使烟气带走的飞灰得 到一次分离 , 降低锅炉的原始排尘浓度。泵 ,向炉内补水 , 保证锅炉安全。21主要技术参数型号 : QXL23 1715 A ;蒸发量 : 23 t / h;蒸汽温度 :工作压力 :给水温度 :蒸汽干度 :354 ;1715 M Pa;520 ;80 % ;效率 : 热效率 78 % ;适用煤种 : 、 类烟煤 , 粒度 30 mm;环保指标 : 排烟烟色 林格曼 级 , 标准状态排烟食尘质量浓度 80 m g /m3 , 排烟食 SO下 ,x质量浓度 500 m g /m3 ;安全指标 : 强度设计安全系数 217 , 在常规运 行维护的前提下可保证长期稳定连续运行。关键技术图 2 燃烧系统结构示意图1 炉前煤舱 ; 2 分层给煤机 ; 3 炉排 ; 4 尾 部 密 封 门 ; 5 前 拱 ; 6 中 拱 ; 7 后 拱11断电停水保护系统燃煤注汽锅炉蓄热量很大 , 为防止断电等情况 下锅炉缺水而发生爆管 , 笔者设计了柴油机直驱高压泵智能补水系统 , 见图 3。当锅炉停电、停水时 , 通过采集停电、停水信号 , 系统可自动向锅炉 补水。该系统具有反应迅速、供水及时、带载启动 及平稳可靠等特点 , 可保证锅炉安全运行。21集箱的结构与工艺燃煤注汽锅炉额定工作压力为 1715 M Pa, 在 该压力下如何经济地选择集箱结构和制造工艺是必 须考虑的。为此 , 笔者设计了集箱体用 20 G的厚( 4 ) 锅炉本体由炉体、一级省煤器、二级省煤器、锅炉对流管束 、托拱管 、防焦管、锅炉盘管和水冷壁及主汽阀构成。其工艺流程为 : 经氧化 和脱氧处理的水由柱塞泵输经一级 、二级省煤器 , 进入锅炉对流管束 、托拱管、防焦管、锅炉盘管 , 由主汽阀排出湿饱和蒸汽。( 5 ) 烟风系统由鼓风机 、风道 、炉膛 、一级除尘器、二级除尘器、烟道、引风机及烟囱构成 , 通过鼓风机将风沿风道送入炉膛 , 燃煤形成的 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 7 2008年 第 36卷 第 10期李晓慧等 : 稠油热采燃煤注汽锅炉研究壁热轧钢管 、端盖用 20 #钢的锻件 、管接头用 20 G钢管及开坡口焊接的结构。该集箱具有结构设计简 单、制造工艺合理、经济性好等特点。要求。2007 年在辽河油田推广应用了 23 t / h 燃煤注汽锅炉 8台 , 投产后每年可节约原油 6 万余吨。 此外 , 还成功研制了 QXL48 1715 A 型燃煤注汽锅炉 , 该锅炉可同时为 810个井组注汽 , 完全满足稠油热采蒸汽驱技术的需求。以 23 t / h燃煤注汽锅炉为例进行经济效益分 析 , 用 215 t燃料煤就可以替代 1 t燃料原油 , 经济 效益很明显 。结论( 1 ) 燃煤注汽锅炉用链条炉排直流锅炉的技术方案 , 增设了分层给煤设备、沉灰室和尾部密封 门 , 可保证燃烧系统的稳定运行。( 2 ) 设计的柴油机直驱高压泵智能停电补水 系统 , 能在锅炉停电、停水情况下自动、迅速向锅 炉补水 , 确保锅炉安全运行 ; 另外 , 应用柔性鳍片管膜式水冷壁技术 , 可提高锅炉的热效率 , 有效降 低热应力 , 保证锅炉安全运行。(3) 集箱体采用 20G的厚壁管、端盖用 20#钢的 锻件、管接头用 20G钢管、开坡口焊接的结构 , 具有 结构设计简单、制造工艺合理、经济性好等特点。( 4 ) 测试及应用表明 , 燃煤注汽锅炉不仅可 满足稠油热采蒸汽驱技术要求 , 而且可降低稠油开 采成本 , 具有较好的经济效益和社会效益。图 3 断电保护系统工作流程31柔性鳍片管膜式水冷壁技术该锅炉的炉膛上部受热面采用鳍片管 ,通过有弧度的耐热钢板进行柔性联接。该技术具有 2个优点 : 鳍片间采用金属密封 , 密封效果好 , 提高了 锅炉热效率 ; 采用耐热钢板做柔性联接材料 , 吸 纳鳍片管之间因受热强度和温度偏差引起的变形 , 可降低热应力 , 保证锅炉安全运行 。现场试验及经济效益分析首台燃煤注汽锅炉于 2006年 6 月 20 日研制成功并在辽河油田曙光采油厂进行试验 , 目前已稳定 运行 22 个多月 , 各项技术指标都满足设计要求 。该锅炉于 2006 年 9 月通过辽河石油勘探局技术鉴 定 , 2007 年 8 月通过中国石油天然气集团公司鉴 定。中油油田节能监测中心和辽河油田环境监测中 心站对该锅炉进行了热工测试和环保测试。测试数 据 : 正平衡热效率为 8116 % , 标准状态下 , SO2 排放质量浓度 137 m g /m3 , 烟尘排放质量浓度 3412 m g /m3 , 各项环保指标都符合国家节能和环保标准 第一作者简介 : 李晓慧 , 工程师 , 生于 1974 年 , 1998年毕业于大庆石油学院 , 2008 年毕业于中国石油大学 (北 京 ) 石油与天然气工程专业 , 获硕士学位 , 现从事石油钻 采设备的科研工作 。地址 : ( 124209 ) 辽宁省盘锦市 。电话 : ( 0427) 7649449。E - m a il: sa ilo rlxh sina1com。收稿日期 : 2008 - 04 - 16(本文编辑 丁莉萍 )石油井口设备和钻采工具专业委员会年会在南阳召开石油井口设备和钻采工具专业委员会 (以下简称专委会 ) 于 2008年 9月 18日在河南南阳宾馆召开了 2008年年会暨第 二届换届选举会 , 来自中国石油和石化设备工业协会 、江汉机械研究所 、中国石油集团物资和装备采购管理部等 39个单位49名代表参加了会议 。会议听取并讨论了第一届专委会工作报告 , 讨论通过了专委会工作条例 , 同时选举产生了新一届专 委会领导机构 。经中国石油和石化设备工业协会提名 , 会议推举江汉机械研究所为主任委员单位 , 中国石油天然气集团公 司物资采购管理部 、江苏金石石油机械集团有限公司和河北华北石油荣盛机械制造有限公司等 9 个单位和部门为副主任委 员单位 , 中国石油集团钻井工程技术研究院副总工程师 、江汉机械研究所所长李雪辉为主任委员 。石油井口设备和钻采工具专业委员会是中国石油和石油化工设备工业协会下属 7 个专委会之一 , 是由全国服务石油井 口生产和作业设备及专用工具的生产企业 、经销商 、供应商 、油田用户 、相关科研院所和石油高校等自愿参加的非盈利性社团组织 。该专委会成立于 2004年 , 每 4年进行一次换届选举 。(谢守平 ) 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ABSTRACTS OF SELECTED ARTI CLESChen Tuanha i ( Schoo l of E lec trom echan ica l Engi2 nee ring, Ch ina U n ive rsity of Pe tro leum , Dongying C it2 y, Shandong P rovince) , Chen Guom ing, L in Hong, e t a l. Sim u la tion study of CFR P - ba sed rep a ir effec t fo r c racked tubu la r jo in t of offsho re p la tfo rm s. CPM ,2008 , 36 ( 10 ) : 1 - 4 , 50Th is p ap e r stud ie s the CFR P - ba sed rep a ir effec t fo r c racked tubu la r jo in t of offsho re p la tfo rm s by fin ite e lem en t sim u la tion. Tak ing a jacke t p la tfo rm in ice re2 gion a s an examp le, a m e thod comp u ting the stre ss in2 ten sity fac to r ( S IF ) a t the c rack tip on comp lica ted struc tu re s is p re sen ted. A n ana lysis mode l w ith a su r2 face c rack is e stab lished, on wh ich submode lling tech2 n ique is u sed to define the singu la r e lem en ts a round the c rack tip. B efo re - rep a ired and afte r - rep a ired S IF s a re ca lcu la ted by a d isp lacem en t in te rpo la tionm e thod. The rep a ir effec t on 4 d iffe ren t CFR P lam i2na te s th ickne ss is ana lyzed in th is p ap e r. The re su lts show tha t when the th ickne ss is 3 mm , the equ iva len tS IF a t the c rack tip dec rea se s by mo re than 58. 01 % , the u ltim a te ice load of tubu la r jo in t of the offsho re p la tfo rm inc rea se s by 95. 83 % , wh ile w ith the th ick2 ne ss inc rea sing, the dec rea sing exten t of S IF and the inc rea sing exten t of u ltim a te ice load d im in ish fo r the poo r m echan ica l p rop e rtie s of adhe sive.Key wo rd s: offsho re p la tfo rm , c racked tubu la r jo in t, CFR P lam ina te s, stre ss in ten sity fac to r, fin ite e lem en t sim u la tionHongchao. Fa ilu re m echan ism and m ea su re ana lysis of mo to r sta to r of sc rew d rill. CPM , 2008 , 36 ( 10 ) : 8 -11 , 44W ith the inc rea se of app lica tion of d rill too l, the stab ility of d rill too l life inc rea singly becom e s the con2 ce rn of d rilling staff and its impo rtance d irec tly affec ts the d rilling de sign and sp eed. The typ e of sta to r fa ilu re of sc rew d rill inc lude s m echan ica l fa ilu re, fa tigue fa il2 u re, the rm a l fa ilu re, de lay fa ilu re and chem ica l fa il2 u re. The rea son s of va riou s fa ilu re s a re ana lyzed and the sp ec ific m ea su re s of extend ing sta to r life a re p u t fo rwa rd. In ac tua l app lica tion, the va riou s p a ram e te rs of each we ll, each b lock and each o ilfie ld shou ld be ana lyzed ca refu lly, and the typ e se lec tion of mo to r de2 sign p a ram e te rs shou ld be we ll done. A cco rd ing to the app lica tion dem and, the mo to r shou ld be run in the op 2 tim um sta te, extend ing and stab ilizing the mo to r life.Key wo rd s: sc rew d rill, mo to r, sta to r, fa ilu re m echan ism , m ea su reW ang Chen ( Schoo l of M echan ica l and Powe r En2 ginee ring, N an jing U n ive rsity of Techno logy, N an2 jing) , Sang Zh ifu. N um e rica l study of she ll - side flow of hea t exchange r of d iffe ren t he lica l baffle. CPM ,2008 , 36 ( 10 ) : 12 - 15Th is p ap e r inve stiga te s the she ll - side flow cha r2ac te rs in the hea t exchange rs w ith the qua rte r - e llip se,qua rte r - sec to r, th ird - sec to r he lica l baffle s and the segm en ta l baffle s by num e rica l sim u la tion to find ou t the fac to rs m ak ing the cap ac ity d iffe rence s among the se hea t exchange rs. The re su lts show tha t the flu id flow in the hea t exchange rs w ith he lica l baffle s app roache s a nea r he lica l p lug flow w ith no dead sp ace, and the d is2 tribu tion of flu id s is mo re un ifo rm. The angle be tween the flow d irec tion and the tube s, and the leakage flow in the triangu la r a rea m ake the hea t tran sfe r and the flow re sistance p e rfo rm ance s of the hea t exchange rs w ith he l2 ica l baffle s a re lowe r than the hea t exchange r w ith seg2 m en ta l baffle s. O ve rlapp ing be tween the ad jacen t he li2 ca l baffle s cou ld re stra in the leakage by reduc ing the size of the triangu la r a rea. Mo re ove rlapp ing o r le ss a2 moun t of the he lica l baffle s in a he lix cou ld dam age the flow con tinu ity and regu la rity, so in the th ree d iffe ren t he lica l baffle s, the th ird - sec to r he lica l baffle offe rs the h ighe st hea t tran sfe r cap ac ity and flow re sistance and the qua rte r - e llip se he lica l baffle offe rs the lowe st one s.Key wo rd s: he lica l baffle, hea t exchange r, she llL i X iaohu i ( Gene ra l M ach ine ry Fac to ry, L iaohe Pe tro leum Exp lo ra tion B u reau, Pan jin C ity, L iaon ing P rovince) , L i W e i, W u Yongn ing, e t a l. Study of bo ile r fo r steam in jec tion by bu rn ing coa l in the rm a l re2 cove ry of viscou s o il. CPM , 2008 , 36 ( 10 ) : 5 - 7Fo r so lving the p rob lem of con sum ing a la rge a2moun t of c rude o il fo r steam in jec tion in the rm a l recov2e ry of viscou s o il, the bo ile r fo r steam in jec tion bybu rn ing coa l is deve lop ed. It u se s the techn ica l schem e of cha in stocke r once - th rough bo ile r w ith d irec t - d rive d ie se l engine h igh - p re ssu re p ump in te lligen t powe r and wa te r system , flexib le fin film tube m em b rane wa te r coo ling wa ll and fo rging th ick - wa lled tube, wh ich so lve s the techn ica l p rob lem afte r ad ju sting the fue l. A f2 te r the rm a l te sting and environm en ta l te sting, a ll the en2 vironm en ta l da ta a re in acco rdance w ith the Sta te ene rgy- saving and