油田專用（微）過熱注汽鍋爐研究與應(yīng)用

史欽芳

（中國石化勝利油田分公司采油工程處，山東東營257001）

注汽干度是評價注汽質(zhì)量、決定熱力采油效果的重要指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)［1］，特別是在稠油開采的蒸汽驅(qū)采油階段，注汽干度直接決定了稠油開采的整體采收率。長期以來受注汽鍋爐結(jié)構(gòu)和水質(zhì)處理條件的限制，油田常規(guī)注汽鍋爐產(chǎn)汽干度僅到80%，蒸汽中的水分主要用于溶解或攜帶給水中的鹽分，以避免蒸汽發(fā)生器結(jié)垢和積鹽。因此如何在現(xiàn)有注汽鍋爐的基礎(chǔ)上提高蒸汽干度或直接產(chǎn)生微過熱蒸汽，就具有十分重要的意義。2006 年以前，國內(nèi)各油田普遍采用的方法是應(yīng)用高壓汽水分離器，直接將蒸汽中的水相分離除去，從而達(dá)到提高注汽干度的目的。從實際運行效果看，注汽干度確實能達(dá)到90%以上，滿足了汽驅(qū)的要求，但難以有效回收和利用分離出的高壓高溫飽和水，造成了13%蒸汽總熱能的損失。另外由于這部分飽和水的含鹽量較高，直接排放必然會對環(huán)境造成污染，而回收利用又必須增加投資和運行費用。為此，勝利油田從2008年開始了新的探索及微過熱蒸汽發(fā)生器研究，于2010年研發(fā)成功并投入現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的注汽效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 技術(shù)路線的確定

常規(guī)注汽鍋爐的制汽流程為：將水源來水經(jīng)過軟化處理后再進(jìn)行除氧處理，由高壓柱塞泵增壓后進(jìn)入水—水換熱器換熱升溫達(dá)露點溫度（121 ℃）以上，接著進(jìn)入對流段吸收煙氣熱量，最后進(jìn)入輻射段進(jìn)一步吸熱變成70%～80%干度的濕飽和蒸汽，最后注入地層［2］。

通過調(diào)研、資料查閱和技術(shù)討論，本文確定的技術(shù)方案是通過提高汽水分離效果，將分離的接近100%高度的蒸汽再進(jìn)入爐膛加熱，加熱后的蒸汽微過熱，然后再將汽水分離器中分離的高含鹽水摻入微過熱蒸汽中，使得蒸汽干度達(dá)到90%以上注入地層。這樣既提高了干度又杜絕了熱量不必要的浪費，同時也無需提升水處理標(biāo)準(zhǔn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

由以上分析可以看出，本項研究的關(guān)鍵技術(shù)有三點，分別為汽水分離器的深化研究、微過熱省煤器的設(shè)計和微過熱蒸汽與高含鹽水的摻混技術(shù)研究。

2.1 汽水分離器的設(shè)計優(yōu)化

汽水分離器主要是利用飽和水和飽和汽密度的不同，利用重力分離技術(shù)來將它們分開，飽和水下行而飽和蒸汽上行，從而達(dá)到汽水分離的目的［3］。傳統(tǒng)的汽水分離器的分離效果為將干度為70%的濕蒸汽提高到90%以上，因此分離效果差。為提高分離效果就必須優(yōu)化分離機(jī)構(gòu)。通過計算、設(shè)計、技術(shù)查詢和論證，將傳統(tǒng)的立式結(jié)構(gòu)設(shè)計為球型結(jié)構(gòu)，體積可達(dá)到最大、流通阻力也最小，同時也保證了分離出的水儲存體積。

主要進(jìn)行了流通阻力校核、汽液兩相在球體內(nèi)體積比優(yōu)化和分離器效果優(yōu)化，確定了球體直徑、液位高度、內(nèi)部分離件的數(shù)量及安裝位置的確定。

汽水分離器液位高度主要通過差壓變送器來進(jìn)行在線計量并實現(xiàn)信號輸出，根據(jù)流通靜力學(xué)原理，差壓變送器測量的液位差壓（Δp）為［4］：

式中，ρ1—變送器高壓側(cè)引壓管內(nèi)的冷凝水密度，kg／m3；

H1—分離器高、低壓引壓管的中心距離，m；ρ1—分離器內(nèi)的飽和水密度，kg／m3；

h—飽和水液位，m；

H2—高壓側(cè)引壓管對應(yīng)低壓側(cè)引壓管到變送器接液處高度，m；

ρ3—變送器低壓側(cè)引壓管內(nèi)的冷凝水密度，kg／m3；

H3—低壓側(cè)引壓管到變送器接液處高度，m；p0—分離器內(nèi)靜壓，MPa。

盡管汽水分離器壓力、溫度都很高，但差壓變送器高、低壓引壓管內(nèi)的冷凝水溫度基本相同，即ρ1≈ρ3，H2＝H3，同時化簡公式（1），可得：

由以上公式可得，已知差壓變送器壓差，可測出液位高度：

h＝（ρ1H1g－Δp）／（ρ2g）

為了確定汽水分離器的最終性能，進(jìn)行了大量的試驗。采用FLUENT 方法對汽水分離器兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬，通過積分lagrange參考系中的粒子受力平衡方程式來預(yù)測汽水離散相粒子（液滴或氣泡）的軌跡，確定旋風(fēng)分離部分的分離效果，見表1。旋風(fēng)分離主要受粒子周圍流動力作用，在直角坐標(biāo)系中，當(dāng)流體相密度大于粒子密度時，加速粒子周圍的力（Fx）可寫成［5］：

式中，ρ為流體相密度，ρp 為粒子密度，u是流動相的速度，up是粒子速度。

表1 不同的粒徑的水滴汽水分離效果Table 1 The different particle size water－drop of water－steam separation result %

由以上分析可以看出，要提高旋風(fēng)分離效果就必須保證汽相與水相的密度差，要保證波紋板的分離效果，就必須保證水滴粒徑，而水滴粒徑除與蒸汽入口速度有直接關(guān)系外，也與汽相與水相的密度差有關(guān)。通過大量計算與運行效果監(jiān)測，最小密度差應(yīng)控制在0.009 5 m3／kg以上，密度差越大分離效果越好；流速控制在額定流量的50%以上，流速越大分離效果越好。查水和水蒸汽熱力性質(zhì)參數(shù)計算得［6］，壓力應(yīng)控制在14.68 MPa以下，才能保證汽水密度差。

2.2 過熱器的設(shè)計

在過熱器內(nèi)蒸汽與管壁的換熱系數(shù)遠(yuǎn)低于常規(guī)注汽爐輻射段內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)，由于進(jìn)入過熱器的蒸汽中仍含有極少量的水分及鹽分，若在熱流密度大的區(qū)域受熱，鹽分易附著在爐管內(nèi)壁上形成鹽垢，產(chǎn)生局部過熱［7］。經(jīng)過綜合優(yōu)化設(shè)計，將過熱器安裝在輻射段出口與對流段進(jìn)口之間，即可保證其吸熱效果又減少設(shè)備體積和投資。微過熱注器過熱部分熱力模型如圖1所示。

如上所述，過熱器的入口蒸汽中總含有極少量的水分及鹽分，這些鹽分主要由蒸汽發(fā)生器的給水帶入。由于軟化水處理已將水中的Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Al3＋等金屬離子已被徹底去除，因此剩余的鹽分主要是鈉鹽和少量的鉀鹽，如NaOH、NaCl、Na2SO4等。其中NaCl在過熱蒸汽中具有較高的溶解度，達(dá)100 mg／kg。而Na2SO4在過熱蒸汽中的溶解度只有10μg／kg，而且又是水中含量最大的鈉鹽，顯然如果蒸汽的含水量過大，鹽就有可能沉積在過熱器內(nèi)［8］。因此防止過熱器積鹽的關(guān)鍵是提高分離器的效率。根據(jù)電站蒸汽發(fā)生器和本項目的運行實踐，只要分離器出口的蒸汽干度能達(dá)到99.5%以上，就可以避免過熱器積鹽。

首先設(shè)定微過熱注汽鍋爐出口干度控制在95%，根據(jù)其熱焓值和同狀態(tài)下的飽和水焓值，求出蒸汽的熱焓值，從而確定過熱度和飽和蒸汽升高到微過熱蒸汽需要的焓值。結(jié)合原注汽鍋爐結(jié)構(gòu)確定換熱器結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)燃燒煙氣不同部位溫度情況，確定換熱器的安裝部位，最終優(yōu)化出換熱面積。

通過計算，不同壓力下，給定注汽蒸汽發(fā)生器輻射段出口干度條件下，過熱段需要達(dá)到的過熱度（見表2）。

圖1 微過熱注汽鍋爐微過熱部分熱力模型簡圖Fig.1 Micro－overheat steam generator parts of micro overheating model

表2 不同壓力條件下出口干度達(dá)90%所需要的過熱度Table 2 Demand overheat temperature to reach 90%dryness in outlet at different pressure ℃

2.3 汽水噴射混合器優(yōu)化設(shè)計

汽水噴射混合器主要功能為將飽和水霧化噴射到微過熱蒸汽中進(jìn)行摻混，飽和水吸熱后汽化，微過熱蒸汽放熱后降溫或冷凝，使得摻混后的蒸汽為高干度或過熱蒸汽。本優(yōu)化設(shè)計由于飽和水中的高鹽分在飽和水汽化后析出，易產(chǎn)生細(xì)微鹽分，由于此處不是受熱面，鹽晶體無聚集合力，可被此處的高速流體帶走，形成不了鹽垢。

本部件的優(yōu)化點為摻混空間的霧化孔隙度，霧化孔隙度與汽水分離器的液位高度、運行壓力關(guān)系密切，霧化孔隙度與液位高度、運行壓力不匹配，在孔隙處就產(chǎn)生鹽結(jié)晶，當(dāng)運行達(dá)到一定時間后霧化孔完全堵塞，無法實現(xiàn)摻混的目的。

2.4 安全運行的關(guān)鍵技術(shù)

由以上技術(shù)攻關(guān)可以看出，本項技術(shù)各部件相互影響、互相牽制，因此，精細(xì)化控制也是本項技術(shù)成功的關(guān)鍵。通過干度在線自動測量、液位微控制、閥門開度自動控制，實現(xiàn)微電腦控制。

微過熱注汽鍋爐在控制上實現(xiàn)了全過程控制與監(jiān)測，在運行模式上采取了常規(guī)運行和微過熱運行兩種模式，通過運行前微電腦的預(yù)設(shè)計，可自動在濕蒸汽、高干度蒸汽和微過熱蒸汽三個區(qū)域安全運行。程控主要點為報警點掃描、運行模式判斷、前吹掃、點火、火焰監(jiān)測、主火焰點火、參數(shù)調(diào)整、水火跟蹤、運行（輻射段出口蒸汽干度檢測、球型汽水分離器實時液位、過程點壓力與溫度、汽水分離器出口干度、蒸汽發(fā)生器出口過熱度、汽水混合器狀態(tài)等）、后吹掃、停爐全過程控制。整機(jī)具備了全程在線、過程監(jiān)測與自動控制功能。

3 制汽工藝優(yōu)化設(shè)計

3.1 工藝流程

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況并結(jié)合傳統(tǒng)注汽鍋爐設(shè)計經(jīng)驗，完成了整體設(shè)計，主要包括熱力計算、強度校核、流通阻力計算、傳熱惡化條件等。工藝流程見圖2，在常規(guī)注汽鍋爐流程的基礎(chǔ)上，與汽水分離器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與匹配，經(jīng)高效汽水分離器分離出的蒸汽通過上部出口流經(jīng)到過熱器繼續(xù)加熱，然后再流向霧化混合器；汽水分離器分離出的飽和水從下部流向霧化混合器；過熱蒸汽與飽和水在霧化混合器內(nèi)摻混后注入注汽井中。

圖2 油田專用（微）過熱注汽鍋爐工藝流程圖Fig.2 Special（micro）overheat steam generator process flow diagram in oilfield

3.2 結(jié)構(gòu)形式

油田專用微過熱注汽鍋爐由軟化水處理裝置、除氧器、高壓柱塞泵、水－水換熱器、對流段、輻射段、過渡段（內(nèi)置過熱器）、汽水分離器、汽水混合器和自動控制系統(tǒng)構(gòu)成，是在常規(guī)直流式注汽鍋爐主要構(gòu)造基礎(chǔ)上增設(shè)了過渡段（內(nèi)置過熱器）、汽水分離器、汽水混合器及新型自控部分。

3.3 參數(shù)設(shè)計

根據(jù)汽水密度隨壓力的變化特性，結(jié)合油田蒸汽吞吐與蒸汽驅(qū)熱力采油注汽技術(shù)參數(shù)要求，進(jìn)行以下參數(shù)的設(shè)計：

額定蒸發(fā)量30t／h、額定工作壓力17.2 MPa、蒸汽溫度370℃、過熱度17℃、整體熱效率≥88%、控制方式為PLC＋觸摸屏＋工控機(jī)方式、適用燃料為油氣兩用。

4 過熱蒸汽對化學(xué)蒸汽驅(qū)的影響

國內(nèi)外的研究結(jié)果及礦場試驗均表明，汽竄是影響蒸汽驅(qū)整體開發(fā)的關(guān)鍵因素之一。高溫泡沫因其高視粘度、對油水的選擇封堵性與破滅再生的同時進(jìn)行及高界面活性，可以實現(xiàn)地層的深度封堵調(diào)剖，從而提高蒸汽的波及系數(shù)和洗油效率，因此研究過熱蒸汽對耐高溫泡沫體系的影響尤為關(guān)鍵。

4.1 過熱蒸汽的優(yōu)勢分析

過熱蒸汽有更高的熱物理參數(shù)，攜帶更高的熱焓，提升開采效果，蒸汽溫度和干度可調(diào)范圍大，伴注化學(xué)劑時調(diào)低注汽溫度，注純蒸汽時要大幅度提升溫度與干度，高干度蒸汽同高溫泡沫結(jié)合還能減緩蒸汽超覆和邊水入侵。

4.2 耐溫及調(diào)驅(qū)試驗

4.2.1 耐溫試驗 在壓力7～10 MPa，干度94%，蒸汽溫度286～310 ℃條件下進(jìn)行室內(nèi)耐溫實驗。結(jié)果如表3所示。利用紅外光譜儀對泡沫體系耐溫前后的成份進(jìn)行測試，從波峰分布情況分析體系基本有效成分保持不變。

表3 體系耐溫前后性能指標(biāo)對比Table 3 System thermal endurance performance contrast

4.2.2 調(diào)驅(qū)試驗 泡沫體系存在一個最佳的溫度作用范圍，過低或過高的溫度對其在多孔介質(zhì)中的發(fā)泡性能均造成影響，結(jié)果如圖3所示。過低的溫度不利于其在泡沫液膜上的規(guī)則分布，過高的溫度使分子運動過于劇烈，泡沫液膜的穩(wěn)定性降低，封堵效率明顯下降。泡沫體系200℃左右具有最佳的封堵調(diào)剖性能，溫度為286～310 ℃時，阻力因子仍然大于20，具有較強的封堵調(diào)剖性能。

圖3 溫度對泡沫體系阻力因子的影響Fig.3 Temperature affect to foam system resistance factor

利用雙泵驅(qū)油物理模擬裝置，研究了蒸汽驅(qū)和化學(xué)驅(qū)的驅(qū)油效率［9］，結(jié)果表明化學(xué)蒸汽驅(qū)比蒸汽驅(qū)提高了驅(qū)油效率和波及效率。試驗還模擬孤島油田的油藏參數(shù)，驗證了注過熱蒸汽比普通蒸汽有更高的增產(chǎn)效果，對注入井口和井下管柱進(jìn)行了耐溫校核。

5 運行模式及應(yīng)用效果

5.1 運行模式

根據(jù)生產(chǎn)需要，本過熱蒸汽發(fā)生器可在飽和、過熱狀態(tài)下自由轉(zhuǎn)換，從而生產(chǎn)低干度蒸汽（干度＜80%）或高干度蒸汽（干度≥80%）或過熱蒸汽。

經(jīng)過現(xiàn)場實踐，低干度、高干度、過熱三種狀態(tài)的臨界點是：輻射段出口的蒸汽干度＜56%時，蒸汽發(fā)生器出口蒸汽干度＜80%，過熱段溫度控制在相應(yīng)壓力下飽和濕蒸汽臨界溫度以下，蒸汽發(fā)生器處于低干度模式運行（添注化學(xué)劑時）；56%≤輻射段出口的蒸汽干度＜70%時，80%≤蒸汽干度＜100%，蒸汽發(fā)生器處于高干度模式運行；輻射段出口的蒸汽干度≥70%時，蒸汽發(fā)生器出口為過熱蒸汽，目前現(xiàn)場過熱溫度控制在10℃以內(nèi)。礦場多通過化驗輻射段出口的蒸汽干度來判別和控制蒸汽發(fā)生器的運行模式，以確保安全經(jīng)濟(jì)注汽。

5.2 實施效果

勝利油田某熱化學(xué)驅(qū)熱力采油試驗區(qū)與2010年9月建成并投運兩臺30t／h油田專用（微）過熱蒸汽發(fā)生器，截止到2011年12月，平均運行壓力7～10 MPa，平均運行干度94%，蒸汽發(fā)生器平均注汽 速度24.2t／h，累計注汽45萬t，平均運行時率92%，一臺燃用天然氣、一臺燃用原油。同常規(guī)配套專用汽水分離相比，節(jié)約用水17%，節(jié)省燃料約3%～5%，避免和減少了含鹽水的外排，成為中國石化亮點的蒸汽驅(qū)先導(dǎo)工程。

表4 過熱鍋爐運行數(shù)據(jù)表（實際統(tǒng)計）Table 4 Operation data sheet（practical statistics）

經(jīng)過一年半的運行效果跟蹤，該設(shè)備運行產(chǎn)汽干度高、運行平穩(wěn)可靠，自動化控制可靠精準(zhǔn)，操作簡便，管理容易，經(jīng)濟(jì)效益較好。已成為勝利油田蒸汽驅(qū)采油的主選爐型，在勝利油田的多個區(qū)塊開始推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

微過熱注汽鍋爐是基于應(yīng)該常規(guī)水處理運行狀態(tài)下（水利用率高）而研發(fā)設(shè)計的新型高干度制汽設(shè)備。實用表明，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、管理方便、經(jīng)濟(jì)高效等特點，是注高干度蒸汽采油的理想制汽設(shè)備。

（1）微過熱注汽鍋爐可在濕蒸汽區(qū)與高干度區(qū)兩種模式下選擇運行。即可應(yīng)用于普通吞吐運行，也可調(diào)整任意高干度直至微過熱狀態(tài)下運行，達(dá)到蒸汽驅(qū)采油中的干度運行要求及化學(xué)蒸汽驅(qū)注汽的要求。

在高干度模式下運行的關(guān)鍵參數(shù)：運行壓力小于15MPa、過熱度小于30℃、汽水分離器與汽水差混器的垂直距離應(yīng)大于2m。

（2）根據(jù)水質(zhì)中鹽的成分及溶鹽規(guī)律，運行中最易造成析鹽的主要成分為Na2SO4，因此在運行中要防止和的進(jìn)入。

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