海上稠油熱采小型化蒸汽發生系統及應用分析

趙 慶 梁光川

西南石油大學石油與天然氣工程學院

海上稠油熱采小型化蒸汽發生系統及應用分析

趙 慶 梁光川

西南石油大學石油與天然氣工程學院

目前在海上油田作業中熱采技術的運用已經比較成熟，主要是針對稠油進行開采。不過，由于受到海上環境及各種條件的限制，要求熱采設備必須小型化、高效化，因此筆者對一種小型蒸汽發生系統進行了研究，該系統可以快速、連續的產生高干度蒸汽，對海上油田生產起到積極的推動作用。

稠油熱采；小型化發生系統；計算

蒸汽熱采作為一種國內外普遍認可的稠油開采工藝已經非常成熟，然而海上開展蒸汽熱采則會遇到海上環境腐蝕、平臺甲板面積有限、吊機能力較輕、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海上平臺工作環境小型化蒸汽發生器系統。

一、小型化發生系統介紹

小型化蒸汽發生系統分為小型化蒸汽發生器和小型化軟化水處理器兩部分組成，小型化蒸汽發生系統是先將平臺水源，經過離心泵加壓進入一、二級軟化水罐進行離子交換，去除水中鈣、鎂離子實現水質軟化，軟化后的水再經過熱力水箱使水加熱至沸點將水中的氧氣排出，實現去除氧的目的。處理完后的軟化水通過高壓柱塞泵增壓至21MPa進入高壓輻射對流盤管區，同燃燒器所燃燒重油或天然氣放出的高溫煙氣熱進行輻射換熱和對流換熱，將受壓盤管內的軟化水加熱到具有一定干度的汽水混合物，再由汽水分離器進行物理分離，最終產生蒸汽干度為90%以上的汽水混合物。

二、小型化蒸汽發生系統本體結構

小型化蒸汽發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，小型化蒸汽發生器采用圓形立式結構設計，燃燒器通過采用旋風式燃燒專利技術，可以提高燃燒效率同時也可以減少鍋爐內部煙氣不均勻系數，最大程度的實現爐內受熱均勻。高壓受熱管束采用12Cr1MoVG材質，該材質表面溫度在580℃時仍可以保證材料的安全性，同時受熱管束采用變化管徑的大小，有效的降低蒸汽水阻力，使設備電耗處于一個經濟合理的運行下。通過巧妙的增加立式汽水分離器將高壓管束內的濕飽和蒸汽進一步分離，形成干度大于90%的蒸汽。

蒸汽發生器系統在保證蒸發量的同時將蒸汽的干度較陸地鍋爐提高了10%，根據水蒸氣特性可知，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量，增強了蒸汽吞吐的效果。同時設備采用模塊化設計系統總共分為9個模塊：1.發生器上部高壓管束；2.發生器下部高壓管束；3.發生器正壓防爆間上部；4發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吊機能力的要求。

由于蒸汽發生器采用立式結構設計所以大幅降低了平臺使用面積。發生器采用在線蒸汽吹灰解決了以往停爐才能實現吹灰的問題，增強了鍋爐效率，同時控制部分采用蒸汽干度實時測量系統，可以有效地監測蒸汽的注汽干度、瞬時注入熱能、累計注汽總熱能，即便臨時中斷后再次注汽也能及時準確的計算出剩余注入能量的多少。

三、輻射受熱面計算

由于采用先進的旋風燃燒技術同時輻射區域采用圓形設計，這樣可以將發生器燃燒室燃燒基本完全對稱，這樣保證了發生器燃燒室內部所有區域的受熱均衡，從輻射受熱面的熱有效性系數

S′----輻射受熱面的灰污系數

X----輻射受熱面的角系數

從(1)可以得出，受熱面有效性系數同角系數和輻射受熱面的灰污系數有關系。輻射受熱面的灰污系數在燃料為重油時為0.55，水冷壁角系數，與水冷壁的相對管距s/d(s----管距，d----管徑)及水冷壁管距爐墻的相對距離e/d有關(e----水冷壁管中心到爐墻的距離)，當s/d=1時角系數達到最大值1，而小型化蒸汽發生器輻射區域采用螺旋盤管式結構即s=d即s/d=1，所以采用螺旋盤管式結構作為輻射區域可以在同等輻射面積的情況下最大的縮小體積。

四、對流受熱面計算

小型化蒸汽發生器對流受熱面采用螺旋蚊香盤管錯列式結構，采用該結構最大的優點在于，可以在有限的體積內能布置更多的對流受熱面積，同時煙氣沖刷管束的速度較普通煙氣速度增加近一倍，見換熱計算公式：

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

這樣從(2)中可以看出對流換熱量同對流換熱面積、溫壓、換熱系數以及計算燃料消耗量有關，計算燃料消耗量在燃料為油時已經是定值。而k對流換熱系數由于公式3所決定：

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

αd對流放熱系數(m2時℃/千焦)；αf輻射放熱系數(m2時℃/千焦)

λ煙氣在管簇中的平均溫度下的導熱系數(m2時℃/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動粘度(m2/s)；Pr煙氣在管簇中平均溫度下的普朗特準則。

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

五、結束語

小型化蒸汽發生系統采用立式盤管輻射結構，設計中充分利用了燃燒器旋風燃燒技術的專利特點以及在線蒸汽吹灰的優勢，可以將蒸汽發生器將受熱面煙氣側灰污層熱阻實時處在最小狀態，傳熱最大。

利用幾項關鍵性設計和技術可以充分保證海上蒸汽發生系統小型化、模塊化、高效化，能夠適合海上工作環境和熱采技術要求，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及其應用[J].中國石油和化工標準與質量.2012，11：87.

[2]王學忠.稠油開采技術進展[J].當代石油石化.2010，01：26-29.