新型燃煤注汽鍋爐的設(shè)計

鄒善義

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機(jī)械制造分公司，遼寧盤錦 124209）

0 引言

油田所用的注汽鍋爐，是在稠油以及超稠油開采中，用來進(jìn)行蒸汽熱采的專業(yè)性設(shè)備，也是現(xiàn)階段稠油開采比較成熟的一種技術(shù)。注汽鍋爐會產(chǎn)生蒸汽并注入到地下將稠油加熱，然后會隨著稠油一同開采出來，經(jīng)過油水分離、污水處理后可以再次進(jìn)行利用。目前國內(nèi)油田主要使用的注汽鍋爐燃料是原油和天然氣。但是，目前國內(nèi)以及世界范圍內(nèi)的原油需求都比較大，而且原油是不可再生能源，在成本不斷提升的背景下，傳統(tǒng)注汽鍋爐已經(jīng)出現(xiàn)了不適用問題。其最大的劣勢是燃料消耗比較大，同時注汽效果也有諸多不足。而新型注汽鍋爐以煤炭作為燃料，可以避免傳統(tǒng)注汽鍋爐的弊端，今后在國內(nèi)的稠油開采中，新型注汽鍋爐將是主要趨勢。

1 新型燃煤注汽鍋爐的特點

（1）安全可靠。燃注汽煤鍋爐是結(jié)合GB/T 16507.1—2013和GB/T 16507.8—2013的標(biāo)準(zhǔn)計算方式來設(shè)計的，可以將工作壓力保持在17.5 MPa，其強(qiáng)度系數(shù)nb需要達(dá)到2.7。它主要由小直徑的集箱以及受熱面管構(gòu)成，因此受壓部分非常安全可靠的。從現(xiàn)階段新燃煤鍋爐的情況來看，鏈條爐排技術(shù)是公認(rèn)的比較可靠的技術(shù)。它是從澳大利亞引入進(jìn)來的先進(jìn)技術(shù)，從不斷的實踐中分析，可以確定新型燃煤鍋爐在正常情況下體現(xiàn)出非常長效的穩(wěn)定性。因此，新型燃煤鍋爐現(xiàn)階段是比較受到認(rèn)可的[1]。

（2）熱效率高。影響新型燃注汽煤鍋爐熱效率的因素主要有3個，分別是燃料燃燒是否足夠充分、鍋爐爐膛是否有足夠的保溫效果、排煙量以及排煙溫度。這一新型鍋爐在這些方面都有著不錯的優(yōu)勢，所以其熱效率比較高。熱效率高就是讓燃料具有更高的利用效率，從而實現(xiàn)對能源的節(jié)約以及對成本的節(jié)省。這對企業(yè)來說是比較有吸引力[2]。

（3）適應(yīng)的煤種比較廣泛。新型燃煤注汽鍋爐的使用熱值是16.744 MJ/kg以上的煙煤，可以直接燃燒粒度＜30 mm的煙煤。這讓新型燃煤鍋爐有非常廣泛的適用煤種，從而提升其實用性。

（4）環(huán)保效果好。新型燃煤注汽鍋爐運用的還是鏈條爐排技術(shù)，而鍋爐排煙量在國內(nèi)同等級還有規(guī)模的燃煤鍋爐中相比，僅僅是后者的60%。所以這種新型的鍋爐現(xiàn)階段的環(huán)保效果比較明顯。另外就是在污染治理方面，可以搭配非常先進(jìn)的空氣凈化器，這樣可以讓新型鍋爐的最終廢氣排放達(dá)到相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。所以這種新型燃煤注汽鍋爐的環(huán)保效果還是比較突出[3]。

（5）操作比較便捷。新型燃煤鍋爐采用的是爐膛負(fù)壓自動控制系統(tǒng)、蒸汽壓力自動控制系統(tǒng)以及排灰吹灰自動控制系統(tǒng)等諸多的自控系統(tǒng)，所以基本上可以說它是在自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)的，這樣就讓其操作變得非常便捷。在自控系統(tǒng)的幫助下，工作人員可以實現(xiàn)爐膛負(fù)壓、蒸汽壓力以及排灰吹灰等這些步驟的自動控制，降低了工作人員的工作量。現(xiàn)階段的新型燃煤鍋爐，基本上可以分為流化床爐、水煤漿爐等類型，展開分析后鏈條爐是比較符合實際需求的，其優(yōu)勢比較明顯。另外，這種新型鍋爐的特點是可以不使用原油燃料，而采用煙煤作為燃料。它的各個系統(tǒng)是可以實現(xiàn)自動控制的。

這種新型鍋爐可以應(yīng)用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）自控系統(tǒng)，在自動化技術(shù)方面有一定代表性，如果是遇到異常斷電等問題，可以自動啟動保護(hù)系統(tǒng)，借助對相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測和控制，收集到停電信號以后系統(tǒng)就會將新型鍋爐的出口關(guān)閉，同時柴油機(jī)自動向新型煤鍋爐補(bǔ)水，排放閥門打開。所以，在自控系統(tǒng)的幫助下，這種新型的鍋爐實際運行的可靠性和安全性都比較高。

2 新型燃煤注汽鍋爐的設(shè)計

新型燃煤鍋爐的設(shè)計，主要考慮的問題是使用稠油回用水時如何讓省煤器、蒸發(fā)管束等部件保持不結(jié)垢、不積鹽、不被腐蝕。還有就是如何讓新型鍋爐注入的蒸汽保持足夠的干度，在實際運行中不出現(xiàn)汽水共騰的現(xiàn)象，以免影響鍋爐的水位監(jiān)測。這些是比較關(guān)鍵的問題，在其實際設(shè)計中需要解決。

2.1 鹽段蒸發(fā)結(jié)構(gòu)

為了解決新型燃煤注汽鍋爐給水時，含鹽量超標(biāo)的問題，結(jié)合一直以來注汽鍋爐給水方面一些成熟的結(jié)構(gòu)，新型燃煤注汽鍋爐可以采用分段蒸發(fā)的方式，除了在這種新型的鍋爐的爐膛中，適當(dāng)布置一些水冷壁受熱面，也可以在這種新型的鍋爐的尾部煙道上安裝蒸發(fā)管束，這樣可以與這種新型的鍋爐的鍋筒內(nèi)側(cè)鹽段組成一個獨立的循環(huán)回路，這樣可以采用一些含鹽量比較高的鍋水。另外就是這種新型的鍋爐尾部的煙道中，對流受熱面是比較容易進(jìn)行維護(hù)和檢修的，若是含鹽量較高的鍋爐水讓受熱面被腐蝕，這個時候就能讓檢修的成本降低，是比較實用的一種設(shè)計，也是在最大程度上讓這種新型的鍋爐蒸發(fā)管突發(fā)事故的幾率降低，從而也是盡可能減少對這種新型的鍋爐正常運行的影響。另外就是該鍋爐蒸發(fā)管的下集箱，是使用外置絕熱的，這樣可以開展緊急的補(bǔ)水以及排污，是比較便捷的設(shè)計。

蒸發(fā)管柱的主要結(jié)構(gòu)是垂直向上的，在進(jìn)水口的位置是水平上傾的，結(jié)合已有的設(shè)計經(jīng)驗以及運行的情況，比較安全的角度就是7°上傾角。水平上傾的這部分是位于水入口，因此蒸發(fā)的時候氣泡產(chǎn)生并不多，在出口的截面控制含汽率在0.08以下，所以非常安全。如果含汽率超過了這個限度，就會進(jìn)入到垂直管道，也不會有過熱的現(xiàn)象出現(xiàn)，經(jīng)過嚴(yán)格的計算以后，這個位置的水流速約0.94 m/s，所以不會有流動分層的現(xiàn)象出現(xiàn)。

也是因為新型鍋爐的這種設(shè)計，充分考慮到流動的問題，避免有氣泡滯留以及流動分層的情況出現(xiàn)，整個管基本上是用水潤濕，可以避免出現(xiàn)局部過熱或者腐蝕的問題。

2.2 防止新燃煤鍋爐省煤器結(jié)垢積鹽的措施

首先是在新燃煤鍋爐的尾部煙道，安裝蒸發(fā)管束，這樣可以將一部分熱量吸收，從而降低新型的鍋爐省煤器的煙溫，也是讓這種新型的鍋爐省煤器總體的吸熱量減少，讓出口水有比較高的欠焓。同時，新燃煤鍋爐省煤器出水的溫度要比飽和的溫度低30℃以上，這樣可以避免出水沸騰以后的積鹽問題。

新型的鍋爐出水欠焓較大，因此在其實際運行中，壓力降低，熱值下降以及運行的風(fēng)量有所增加的情況下，其省煤器出水并不會有沸騰出現(xiàn)。

為了避免蒸發(fā)管束水包受熱后有雜質(zhì)沉淀，導(dǎo)致管口被堵塞或者讓金屬壁溫度升高，可以將水包設(shè)置在新燃煤鍋爐外。新型的鍋爐省煤器中的水速保持較高水平，可以避免水中的鹽在管道內(nèi)沉積。

2.3 防止水冷壁和蒸發(fā)管束結(jié)垢積鹽的措施

可以用循環(huán)流化床循環(huán)高壓鍋爐，汽水系統(tǒng)回路循環(huán)倍率基本上是在12倍的范圍內(nèi)。也就是說，在這2個位置的蒸汽含量基本上是8%，就不會有水滴到管壁上出現(xiàn)蒸發(fā)的問題，同時也可以避免在出口管段有結(jié)垢和積鹽的現(xiàn)象。如果是新型鍋爐的實際運行壓力有所降低，這時循環(huán)系統(tǒng)的倍率就會提升，而2個位置的蒸汽量就會有所減少，循環(huán)的可靠性會有所提升，有效避免積鹽現(xiàn)象。

水冷系統(tǒng)主要是采用直徑比較大的下集箱，這樣可以使水冷系統(tǒng)具備更高的沉渣能力，讓水循環(huán)更加安全可靠。

2.4 防止鍋筒積鹽的措施

新燃煤鍋爐是依據(jù)分段蒸發(fā)進(jìn)行設(shè)計的，凈段和鹽段都是有各自的循環(huán)回路，凈段的蒸發(fā)量保持在80%～90%，鹽段的蒸發(fā)量則是10%～20%。這樣，在給水品質(zhì)基本相同并且排污量相同的情況下，凈段的濃度則是要更低。也就是說，原本是100%的高濃度鍋水，成為了只有鹽段的鍋水，凈段的含鹽量則會有明顯降低。這一設(shè)計能讓積鹽的情況得到顯著改善，同時也讓新型鍋爐更加實用。

鍋水的含鹽量主要與排污量有關(guān)系，如果排污率高，那么鍋水的濃度就會有所降低。這樣，可以用高排污來讓鹽段含鹽量保持在更合理的范圍內(nèi)。

2.5 保持蒸汽干度以及防治汽水共騰的措施

新型鍋爐的鍋筒采用分段蒸發(fā)的設(shè)計，其中80%以上的蒸汽是在低濃度鍋水里產(chǎn)生的，在排污率相同的情況下，蒸汽品質(zhì)相比于單端蒸發(fā)要更加突出。另外在鹽段可以讓排污率更高一些，可以讓含水量保持在更加合理的范圍內(nèi)。凈段以及鹽段水位計是分別進(jìn)行設(shè)計的，在凈段設(shè)置用來監(jiān)測水位并對給水量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，鹽段則是用來對排污率進(jìn)行監(jiān)測。

3 結(jié)論

在稠油開采中的運用，新型燃煤注汽鍋爐是在新時期油田生產(chǎn)中對注汽鍋爐的一種優(yōu)化。以往的注汽鍋爐采用的燃料以及工作方式雖然技術(shù)比較成熟，但是也有一些明顯的劣勢。新型燃煤注汽鍋爐的優(yōu)勢，也是在實踐中受到了諸多企業(yè)的認(rèn)可?？梢钥闯觯@種新型鍋爐融合了自動化技術(shù)，讓操作更加便捷，也降低了企業(yè)的一些成本，還是具有發(fā)展前景的。