孫嘉啟,劉志煥,李江濤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所,哈爾濱 150078)

0 引言

稠油是高黏度重質(zhì)原油的俗稱,具有相對(duì)較高的密度及黏度,因此開(kāi)采方式區(qū)別于常規(guī)油田[1]。國(guó)外在稠油資源的利用和開(kāi)發(fā)上起步較早。20世紀(jì)50年代末,美國(guó)開(kāi)始了注蒸汽稠油熱采試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),注蒸汽可增大油藏地層的內(nèi)部壓力,將稠油擠升到地面,還可升高油藏地層的溫度,降低重質(zhì)稠油的黏度,提高稠油流動(dòng)性,且加熱產(chǎn)生的熱量可將稠油內(nèi)部輕質(zhì)成分氣化,促使稠油更輕易地從油砂中脫離[2],不但可以提高稠油產(chǎn)量,加快開(kāi)采速度,還能收獲良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,稠油熱采技術(shù)已經(jīng)有了跨越式的革新,目前的主要開(kāi)采方式有蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油(SAGD)等。20世紀(jì)80年代,我國(guó)開(kāi)始研究稠油熱采技術(shù),并在遼河油田進(jìn)行注蒸汽開(kāi)采試驗(yàn),各種新型注氣鍋爐產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生,這對(duì)于增加油田的稠油產(chǎn)量起到了至關(guān)重要的作用[3]。

1 燃油(氣)注氣鍋爐

目前,常用的稠油熱采是利用燃油(氣)注氣鍋爐,其是一種強(qiáng)制循環(huán)的高壓直流鍋爐,由一根連續(xù)的管束構(gòu)成,由高壓泵將高壓水輸送到鍋爐各受熱面,從而產(chǎn)生所需的蒸汽[4]。按蒸汽品質(zhì)分類,可分為濕蒸汽鍋爐、過(guò)熱蒸汽鍋爐、超(超)臨界蒸汽鍋爐。按運(yùn)載方式分類,可分為車載式與撬裝式注氣鍋爐。鑒于注氣鍋爐流動(dòng)性大的作業(yè)特點(diǎn),體積小、重量輕、使用靈活的車載式注氣鍋爐得到了極大的發(fā)展[5]。但是傳統(tǒng)的車載注氣鍋爐本體受熱面受制于拖車尺寸及運(yùn)輸載重的限制,其額定蒸發(fā)量一般不超過(guò)23 t/h,而撬裝式注氣鍋爐的額定蒸發(fā)量則可突破100 t/h。

濕蒸汽注氣鍋爐多見(jiàn)于早期利用蒸汽吞吐技術(shù)開(kāi)采的油田。隨著油田開(kāi)采的不斷進(jìn)行,濕蒸汽注氣鍋爐已逐步被淘汰。目前,過(guò)熱注氣鍋爐被廣泛應(yīng)用于油田產(chǎn)能建設(shè)中,在蒸汽驅(qū)、蒸汽吞吐、SAGD等熱采工程中發(fā)揮了重要的作用。特別是區(qū)塊深井,地殼壓力更大,亞臨界注氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽無(wú)法進(jìn)入油井底部,故采用參數(shù)更高的超(超)臨界注氣鍋爐[6]。

1.1 濕蒸汽注氣鍋爐

濕蒸汽注氣鍋爐本體由輻射段、過(guò)渡段、對(duì)流段3部分構(gòu)成。輻射段由單爐管水平往復(fù)式結(jié)構(gòu)組成,筒體內(nèi)壁鋪設(shè)硅酸鋁纖維毯及高純硅酸鋁作為隔熱層,能夠有效減少熱量損失。對(duì)流段采用單爐管水平往復(fù)式布置,重點(diǎn)覆蓋低溫?zé)煔鈪^(qū)域,降低排煙溫度,使鍋爐熱效率得到提高。過(guò)渡段位于輻射段與對(duì)流段中間,為煙氣轉(zhuǎn)向提供便利[7](圖1)。

圖1 濕蒸汽注氣鍋爐結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)沙鍋爐廠有限責(zé)任公司在傳統(tǒng)小容量注氣鍋爐成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)了50 t/h燃油(氣)注氣鍋爐。針對(duì)常規(guī)油田注氣鍋爐散熱損失大、熱效率低、鍋筒內(nèi)部設(shè)備易損耗、不方便維修等缺點(diǎn),對(duì)傳統(tǒng)的油田注氣鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),在設(shè)計(jì)上采用方形膜式水冷壁結(jié)構(gòu),使鍋爐得到了良好的密封,減小爐膛漏風(fēng)量,降低鍋爐散熱損失,節(jié)能效果顯著。采用小管徑管組構(gòu)成受熱面,大幅度減小受熱面壁厚,使鍋爐整體金屬耗量減少,有效節(jié)約了制造成本。去掉直觸火焰的內(nèi)部構(gòu)架,節(jié)省耐熱合金鋼的用量。內(nèi)部增加膜式壁固定裝置,大幅度降低外壁溫度,且保溫層不受火焰直接輻射,使用壽命延長(zhǎng),優(yōu)化水處理流程,節(jié)約給水消耗。該注氣鍋爐能夠產(chǎn)生干度為80%的濕飽和蒸汽,且蒸汽產(chǎn)物中的20%水分通過(guò)溶解方式清除各類鹽分,使注氣鍋爐能夠穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

勝利油田勝利發(fā)電廠針對(duì)注氣鍋爐壓力低、能耗高、熱效率低等問(wèn)題,為滿足稠油熱采需要,研發(fā)了超臨界濕蒸汽注氣鍋爐,設(shè)計(jì)壓力26 MPa,蒸發(fā)量13.5 t/h,能夠產(chǎn)生干度為75%的濕飽和蒸汽。其輻射段采用蛇形單管往復(fù)布置,采用性能優(yōu)越的柱塞泵作為鍋爐給水,可有效減輕流量脈動(dòng)強(qiáng)度不均勻的問(wèn)題。給水水質(zhì)可兼容亞臨界注氣鍋爐的給水指標(biāo),并能沿用原有的除氧軟化設(shè)備,有效減少了投資及運(yùn)行成本[9]。

1.2 過(guò)熱蒸汽注氣鍋爐

過(guò)熱蒸汽注氣鍋爐與濕蒸汽注氣鍋爐相比,新增過(guò)熱段、汽水分離器及噴水減溫器等結(jié)構(gòu)。過(guò)熱段位于對(duì)流段與過(guò)渡段中間,可進(jìn)一步加熱干飽和蒸汽,使之變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽。過(guò)熱段管束采用高強(qiáng)度合金鋼,以蛇形管形式錯(cuò)列布置,可承受較大的熱負(fù)荷[5](圖2)。

圖2 過(guò)熱蒸汽注氣鍋爐結(jié)構(gòu)

汽水分離器采用臥式結(jié)構(gòu),內(nèi)部裝有旋風(fēng)分離器,可有效分離蒸汽中99%的微小水分,滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)蒸汽的需求。通過(guò)增設(shè)汽水分離器,既能實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐的功能,又無(wú)需對(duì)鍋爐給水進(jìn)行深度除鹽處理,可有效節(jié)約鍋爐運(yùn)行成本[10]。

噴水減溫器為筒形結(jié)構(gòu),汽水分離器分離出的減溫水通過(guò)噴嘴與過(guò)熱蒸汽充分混合,控制噴出的減溫水量,使蒸汽溫度降低,進(jìn)而保證鍋爐出口的蒸汽參數(shù)滿足要求[10]。

1.3 超(超)臨界注氣鍋爐

超(超)臨界注氣鍋爐有過(guò)熱段設(shè)計(jì),在熱負(fù)荷較低的過(guò)熱段內(nèi)完成工質(zhì)的相變換熱,避免管束內(nèi)部發(fā)生傳熱惡化,與過(guò)熱蒸汽注氣鍋爐的過(guò)熱段結(jié)構(gòu)一致[11](圖3)。超(超)臨界注氣鍋爐的工作壓力橫跨亞臨界與超臨界甚至超超臨界,工質(zhì)的汽化潛熱趨近于零,汽液兩相區(qū)沒(méi)有明顯分界,再加上常規(guī)直流鍋爐受熱面受熱不均的特點(diǎn),在鍋爐內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極端的熱力特性。

圖3 超(超)臨界注氣鍋爐結(jié)構(gòu)

輻射段受熱區(qū)流量脈動(dòng)。注氣鍋爐在正常使用過(guò)程中時(shí)常伴有工況變動(dòng)(如熱負(fù)荷升降、壓力大小、給水多少及水溫高低等),此類變動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致鍋爐受熱管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象。為了防止流量脈動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生,有效方法是增加管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速,令其大于臨界質(zhì)量流速[9]。

輻射段受熱區(qū)傳熱惡化。盡管超臨界壓力狀態(tài)的工質(zhì)能夠保持單相流體,但在最大比熱區(qū)附近,工質(zhì)的比容、比熱、比焓、黏度等物性會(huì)有劇烈變化,而這些物性的變化會(huì)大幅度改變傳熱狀態(tài),從而導(dǎo)致傳熱惡化。為防止此類傳熱惡化現(xiàn)象的發(fā)生,需提升管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速,受熱面管束采用內(nèi)螺紋管。內(nèi)螺紋管具有優(yōu)越的流動(dòng)導(dǎo)熱特性,管束內(nèi)工質(zhì)受到內(nèi)螺紋的作用產(chǎn)生自旋,使工質(zhì)緊貼管束內(nèi)壁流動(dòng),增強(qiáng)管束內(nèi)壁附近的流體擾動(dòng),向上流動(dòng)的工質(zhì)會(huì)帶走管束內(nèi)壁生成的氣泡,使氣泡在管束內(nèi)壁難以聚集,基于連續(xù)流動(dòng)的工質(zhì)對(duì)管束的持續(xù)冷卻,可有效控制管束溫度升高,避免傳熱惡化的發(fā)生[12]。

輻射段受熱區(qū)鹽分沉積。超臨界工質(zhì)在比熱極值點(diǎn)處的比容會(huì)急劇改變,使得鹽分在工質(zhì)中的溶解度呈斷崖式下降,導(dǎo)致鹽分集中在管束內(nèi)壁沉積。為防止管束內(nèi)壁形成鹽分沉積,稍微降低工質(zhì)的臨界參數(shù),比容數(shù)值趨于穩(wěn)定,能夠維持工質(zhì)中鹽分的高溶解度。水處理設(shè)備沿用二級(jí)鈉離子交換器,既能保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行,又能節(jié)約投資成本及運(yùn)行費(fèi)用[9]。

2 燃煤注氣鍋爐

隨著我國(guó)石油開(kāi)采工業(yè)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)小容量注氣鍋爐已經(jīng)達(dá)不到先進(jìn)稠油熱采技術(shù)的要求。特別是自從油田實(shí)施SAGD技術(shù)開(kāi)采稠油以來(lái),要求連續(xù)大排量注入高干度蒸汽,現(xiàn)有的常規(guī)注氣鍋爐已經(jīng)不能滿足稠油熱采的需要,繼續(xù)開(kāi)發(fā)大容量高參數(shù)燃油(氣)注氣鍋爐會(huì)大幅度提高開(kāi)采成本,而原煤價(jià)格僅為原油價(jià)格的25%左右,實(shí)際一年可節(jié)省30%左右的運(yùn)行成本,因此改變注氣鍋爐的燃料結(jié)構(gòu),將燃油(氣)注氣鍋爐改成燃煤注氣鍋爐帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益頗為顯著[13]。燃煤注氣鍋爐按燃燒方式可分為層燃注氣鍋爐、煤粉注氣鍋爐及循環(huán)流化床注氣鍋爐。

2.1 層燃注氣鍋爐

層燃注氣鍋爐是燃煤注氣鍋爐的主流類型(圖4)。層燃注氣鍋爐具有運(yùn)行簡(jiǎn)單、操作方便、節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn),不足之處是設(shè)計(jì)限制蒸發(fā)量無(wú)法高于90 t/h,實(shí)際應(yīng)用中出于環(huán)保考慮,對(duì)于原煤質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求,且燃燒產(chǎn)物需嚴(yán)格控制排放,環(huán)境成本較高。

圖4 燃煤注氣鍋爐結(jié)構(gòu)

遼河油田總機(jī)械廠研制亞臨界直流濕蒸汽燃煤注氣鍋爐,設(shè)計(jì)蒸發(fā)量48 t/h、蒸汽壓力17.2 MPa。該型注氣鍋爐使用鏈條爐排輸送燃料,選用膜式水冷壁作為爐膛受熱面,并在輻射段后部設(shè)計(jì)對(duì)流段及空氣預(yù)熱器。燃煤在爐排上充分燃燒后所產(chǎn)生的煙氣依次通過(guò)爐膛輻射段、各級(jí)對(duì)流段、空氣預(yù)熱器,從鍋爐尾部的除塵裝置排出[5]。該型燃煤注氣鍋爐自從應(yīng)用以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定安全,熱效率高,適應(yīng)煤種廣泛,能夠滿足油田注汽的生產(chǎn)需要。

2.2 煤粉注氣鍋爐

煤粉燃燒技術(shù)是將原煤粉碎制成顆粒狀煤粉,極細(xì)的煤粉顆粒在高溫火焰及煙氣的持續(xù)作用下,煤粉中的揮發(fā)分氣化分離并開(kāi)始燃燒,直到煤粉顆粒轉(zhuǎn)化為高溫炭粒,最后燃燒殆盡。由于煤粉能夠與空氣充分接觸,燃燒反應(yīng)迅速,燃燒效率極高。煤粉注氣鍋爐的燃料適應(yīng)性廣,自動(dòng)化程度高,但整體系統(tǒng)復(fù)雜,建設(shè)投資大,對(duì)操作人員的要求高,運(yùn)行方式不夠靈活,且低負(fù)荷工況下的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性不佳,需對(duì)燃燒產(chǎn)物凈化處理,設(shè)備投資及運(yùn)行成本較高[14]。

四川鍋爐廠根據(jù)井樓油田注汽量、井口壓力及蒸汽溫度需求,結(jié)合國(guó)內(nèi)燃煤鍋爐參數(shù)系列,于2008年設(shè)計(jì)制造了CG-75/9.79-MZQ高壓過(guò)熱自然循環(huán)汽包煤粉鍋爐。75 t/h煤粉爐注氣鍋爐采用煤粉燃燒方式,鍋爐為自然循環(huán),集中下降管,Π型布置的全懸吊固態(tài)排渣高壓低過(guò)熱度蒸汽煤粉爐,在國(guó)內(nèi)外首次完成了額定蒸發(fā)量75 t/h、額定壓力9.8 MPa、蒸汽溫度380 ℃的燃煤過(guò)熱蒸汽注氣鍋爐研制,實(shí)現(xiàn)了注氣鍋爐“煤代油”的燃料變革,降低了稠油熱采注汽系統(tǒng)的運(yùn)行成本,經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景十分可觀[15]。

2.3 循環(huán)流化床注氣鍋爐

循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種新型潔凈煤燃燒技術(shù),原理是將寬篩分粒度的燃料與石灰石脫硫劑混合在爐膛內(nèi)部循環(huán)流動(dòng),分散的高溫顆粒經(jīng)過(guò)分離后再返回爐膛,循環(huán)燃料、物料與爐膛內(nèi)氧氣接觸并燃燒。由于爐膛內(nèi)部燃料與物料顆粒的燃燒、傳質(zhì)及傳熱活動(dòng)十分活躍,使得爐膛內(nèi)部的溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定。循環(huán)流化床鍋爐有著熱慣性大、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便、燃料適應(yīng)廣泛、高效環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),故而受到了大力推廣[16]。

清華大學(xué)與太原鍋爐集團(tuán)有限公司、中石油新疆設(shè)計(jì)院等單位合作研發(fā)了使用含鹽污水的循環(huán)流化床注氣鍋爐。該鍋爐額定壓力9.8 MPa,蒸發(fā)量高達(dá)130 t/h,產(chǎn)生的干度大于95%飽和蒸汽,充分發(fā)揮了循環(huán)流化床燃燒技術(shù)低熱流密度的特點(diǎn),把含鹽量高的鹽段受熱面放在鍋爐尾部,從根本上杜絕了高含鹽鍋爐水段出現(xiàn)鹽沉積的現(xiàn)象,保障了鍋爐鹽段受熱面的正常運(yùn)行[17]。

新型分段蒸發(fā)自然循環(huán)技術(shù)的誕生成功克服了使用高鹽爐水的不利因素,其原理如圖5所示:位于鍋筒中的隔板分隔凈段與鹽段的汽、水空間,分別構(gòu)成凈段與鹽段兩套自然循環(huán)體系。給水直接從凈段下降管引入鍋筒,在凈段鍋筒蒸發(fā)后,其余爐水通過(guò)凈段排污進(jìn)入鹽段鍋筒,流入鹽段下降管及鹽段受熱面,在鹽段鍋筒蒸發(fā)后,高鹽爐水經(jīng)鹽段的汽水分離器分離后排出[17]。

圖5 高含鹽給水條件下的分段蒸發(fā)水動(dòng)力技術(shù)原理

該型燃煤注氣鍋爐于2012年3月投入運(yùn)行,成功使用60%采油污水配40%清水實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行,能夠穩(wěn)定產(chǎn)生干度高于99%的過(guò)熱蒸汽。通過(guò)嚴(yán)格控制爐水水質(zhì)并不斷改進(jìn)排污設(shè)備,排污率可進(jìn)一步降低,最終穩(wěn)定在5.5%左右。為了加強(qiáng)該型燃煤注氣鍋爐稠油熱采的能力,對(duì)其中一臺(tái)注氣鍋爐增設(shè)過(guò)熱器,可產(chǎn)出過(guò)熱度為20 ℃的過(guò)熱蒸汽。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際運(yùn)行,該型燃煤過(guò)熱蒸汽注氣鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定,產(chǎn)出蒸汽品質(zhì)可支持稠油熱采的新工藝及新要求[18]。

3 結(jié)束語(yǔ)

燃油(氣)注氣鍋爐作為小容量高參數(shù)鍋爐的代表,其前期較低的成本投入及機(jī)動(dòng)靈活的使用方式,對(duì)于中小油田淺層稠油的開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義,但產(chǎn)量不足的缺陷及較高的燃料成本制約了其發(fā)展。

燃煤注氣鍋爐在設(shè)計(jì)上不必拘泥于含鹽爐水對(duì)蒸汽干度的要求與車載及撬裝對(duì)鍋爐受熱面面積的限制,可直接采用工業(yè)鍋爐上的成熟技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及相關(guān)要求,設(shè)計(jì)出形式多種多樣、蒸汽質(zhì)量高、產(chǎn)量大的汽鍋鍋爐,具有較為廣闊的發(fā)展前景。

研發(fā)應(yīng)用具有更高參數(shù)、更低排放、更佳經(jīng)濟(jì)性的注氣鍋爐是行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。而超(超)臨界循環(huán)流化床燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的清潔煤燃燒,是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的未來(lái)技術(shù)路線。目前,循環(huán)流化床技術(shù)應(yīng)用在注氣鍋爐領(lǐng)域尚處于起步階段,超(超)臨界循環(huán)流化床注氣鍋爐的研制必將促使我國(guó)稠油熱采行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。