新型燃煤注汽鍋爐的設計

鄒善義

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，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，用來進行蒸汽熱采的專業性設備，也是現階段稠油開采比較成熟的一種技術。注汽鍋爐會產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，經過油水分離、污水處理后可以再次進行利用。目前國內油田主要使用的注汽鍋爐燃料是原油和天然氣。但是，目前國內以及世界范圍內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，傳統注汽鍋爐已經出現了不適用問題。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，可以避免傳統注汽鍋爐的弊端，今后在國內的稠油開采中，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。燃注汽煤鍋爐是結合GB/T 16507.1—2013和GB/T 16507.8—2013的標準計算方式來設計的，可以將工作壓力保持在17.5 MPa，其強度系數nb需要達到2.7。它主要由小直徑的集箱以及受熱面管構成，因此受壓部分非常安全可靠的。從現階段新燃煤鍋爐的情況來看，鏈條爐排技術是公認的比較可靠的技術。它是從澳大利亞引入進來的先進技術，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出非常長效的穩定性。因此，新型燃煤鍋爐現階段是比較受到認可的[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，從而實現對能源的節約以及對成本的節省。這對企業來說是比較有吸引力[2]。

（3）適應的煤種比較廣泛。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）環保效果好。新型燃煤注汽鍋爐運用的還是鏈條爐排技術，而鍋爐排煙量在國內同等級還有規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階段的環保效果比較明顯。另外就是在污染治理方面，可以搭配非常先進的空氣凈化器，這樣可以讓新型鍋爐的最終廢氣排放達到相關的技術標準。所以這種新型燃煤注汽鍋爐的環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壓自動控制系統、蒸汽壓力自動控制系統以及排灰吹灰自動控制系統等諸多的自控系統，所以基本上可以說它是在自控系統的基礎上來實現的，這樣就讓其操作變得非常便捷。在自控系統的幫助下，工作人員可以實現爐膛負壓、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?，F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。它的各個系統是可以實現自動控制的。

這種新型鍋爐可以應用PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）自控系統，在自動化技術方面有一定代表性，如果是遇到異常斷電等問題，可以自動啟動保護系統，借助對相關參數的監測和控制，收集到停電信號以后系統就會將新型鍋爐的出口關閉，同時柴油機自動向新型煤鍋爐補水，排放閥門打開。所以，在自控系統的幫助下，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計

新型燃煤鍋爐的設計，主要考慮的問題是使用稠油回用水時如何讓省煤器、蒸發管束等部件保持不結垢、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汽水共騰的現象，以免影響鍋爐的水位監測。這些是比較關鍵的問題，在其實際設計中需要解決。

2.1 鹽段蒸發結構

為了解決新型燃煤注汽鍋爐給水時，含鹽量超標的問題，結合一直以來注汽鍋爐給水方面一些成熟的結構，新型燃煤注汽鍋爐可以采用分段蒸發的方式，除了在這種新型的鍋爐的爐膛中，適當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管束，這樣可以與這種新型的鍋爐的鍋筒內側鹽段組成一個獨立的循環回路，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行維護和檢修的，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計，也是在最大程度上讓這種新型的鍋爐蒸發管突發事故的幾率降低，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管的下集箱，是使用外置絕熱的，這樣可以開展緊急的補水以及排污，是比較便捷的設計。

蒸發管柱的主要結構是垂直向上的，在進水口的位置是水平上傾的，結合已有的設計經驗以及運行的情況，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，因此蒸發的時候氣泡產生并不多，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，就會進入到垂直管道，也不會有過熱的現象出現，經過嚴格的計算以后，這個位置的水流速約0.94 m/s，所以不會有流動分層的現象出現。

也是因為新型鍋爐的這種設計，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，整個管基本上是用水潤濕，可以避免出現局部過熱或者腐蝕的問題。

2.2 防止新燃煤鍋爐省煤器結垢積鹽的措施

首先是在新燃煤鍋爐的尾部煙道，安裝蒸發管束，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量有所增加的情況下，其省煤器出水并不會有沸騰出現。

為了避免蒸發管束水包受熱后有雜質沉淀，導致管口被堵塞或者讓金屬壁溫度升高，可以將水包設置在新燃煤鍋爐外。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沉積。

2.3 防止水冷壁和蒸發管束結垢積鹽的措施

可以用循環流化床循環高壓鍋爐，汽水系統回路循環倍率基本上是在12倍的范圍內。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蒸發的問題，同時也可以避免在出口管段有結垢和積鹽的現象。如果是新型鍋爐的實際運行壓力有所降低，這時循環系統的倍率就會提升，而2個位置的蒸汽量就會有所減少，循環的可靠性會有所提升，有效避免積鹽現象。

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

2.4 防止鍋筒積鹽的措施

新燃煤鍋爐是依據分段蒸發進行設計的，凈段和鹽段都是有各自的循環回路，凈段的蒸發量保持在80%～90%，鹽段的蒸發量則是10%～20%。這樣，在給水品質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。

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的設計，其中80%以上的蒸汽是在低濃度鍋水里產生的，在排污率相同的情況下，蒸汽品質相比于單端蒸發要更加突出。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。凈段以及鹽段水位計是分別進行設計的，在凈段設置用來監測水位并對給水量進行適當的調節，鹽段則是用來對排污率進行監測。

3 結論

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中對注汽鍋爐的一種優化。以往的注汽鍋爐采用的燃料以及工作方式雖然技術比較成熟，但是也有一些明顯的劣勢。新型燃煤注汽鍋爐的優勢，也是在實踐中受到了諸多企業的認可。可以看出，這種新型鍋爐融合了自動化技術，讓操作更加便捷，也降低了企業的一些成本，還是具有發展前景的。