新型燃煤注汽锅炉的设计

邹善义

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河热采机械制造分公司，辽宁盘锦 124209）

0 引言

油田所用的注汽锅炉，是在稠油以及超稠油开采中，用来进行蒸汽热采的专业性设备，也是现阶段稠油开采比较成熟的一种技术。注汽锅炉会产生蒸汽并注入到地下将稠油加热，然后会随着稠油一同开采出来，经过油水分离、污水处理后可以再次进行利用。目前国内油田主要使用的注汽锅炉燃料是原油和天然气。但是，目前国内以及世界范围内的原油需求都比较大，而且原油是不可再生能源，在成本不断提升的背景下，传统注汽锅炉已经出现了不适用问题。其最大的劣势是燃料消耗比较大，同时注汽效果也有诸多不足。而新型注汽锅炉以煤炭作为燃料，可以避免传统注汽锅炉的弊端，今后在国内的稠油开采中，新型注汽锅炉将是主要趋势。

1 新型燃煤注汽锅炉的特点

（1）安全可靠。燃注汽煤锅炉是结合GB/T 16507.1—2013和GB/T 16507.8—2013的标准计算方式来设计的，可以将工作压力保持在17.5 MPa，其强度系数nb需要达到2.7。它主要由小直径的集箱以及受热面管构成，因此受压部分非常安全可靠的。从现阶段新燃煤锅炉的情况来看，链条炉排技术是公认的比较可靠的技术。它是从澳大利亚引入进来的先进技术，从不断的实践中分析，可以确定新型燃煤锅炉在正常情况下体现出非常长效的稳定性。因此，新型燃煤锅炉现阶段是比较受到认可的[1]。

（2）热效率高。影响新型燃注汽煤锅炉热效率的因素主要有3个，分别是燃料燃烧是否足够充分、锅炉炉膛是否有足够的保温效果、排烟量以及排烟温度。这一新型锅炉在这些方面都有着不错的优势，所以其热效率比较高。热效率高就是让燃料具有更高的利用效率，从而实现对能源的节约以及对成本的节省。这对企业来说是比较有吸引力[2]。

（3）适应的煤种比较广泛。新型燃煤注汽锅炉的使用热值是16.744 MJ/kg以上的烟煤，可以直接燃烧粒度＜30 mm的烟煤。这让新型燃煤锅炉有非常广泛的适用煤种，从而提升其实用性。

（4）环保效果好。新型燃煤注汽锅炉运用的还是链条炉排技术，而锅炉排烟量在国内同等级还有规模的燃煤锅炉中相比，仅仅是后者的60%。所以这种新型的锅炉现阶段的环保效果比较明显。另外就是在污染治理方面，可以搭配非常先进的空气净化器，这样可以让新型锅炉的最终废气排放达到相关的技术标准。所以这种新型燃煤注汽锅炉的环保效果还是比较突出[3]。

（5）操作比较便捷。新型燃煤锅炉采用的是炉膛负压自动控制系统、蒸汽压力自动控制系统以及排灰吹灰自动控制系统等诸多的自控系统，所以基本上可以说它是在自控系统的基础上来实现的，这样就让其操作变得非常便捷。在自控系统的帮助下，工作人员可以实现炉膛负压、蒸汽压力以及排灰吹灰等这些步骤的自动控制，降低了工作人员的工作量。现阶段的新型燃煤锅炉，基本上可以分为流化床炉、水煤浆炉等类型，展开分析后链条炉是比较符合实际需求的，其优势比较明显。另外，这种新型锅炉的特点是可以不使用原油燃料，而采用烟煤作为燃料。它的各个系统是可以实现自动控制的。

这种新型锅炉可以应用PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）自控系统，在自动化技术方面有一定代表性，如果是遇到异常断电等问题，可以自动启动保护系统，借助对相关参数的监测和控制，收集到停电信号以后系统就会将新型锅炉的出口关闭，同时柴油机自动向新型煤锅炉补水，排放阀门打开。所以，在自控系统的帮助下，这种新型的锅炉实际运行的可靠性和安全性都比较高。

2 新型燃煤注汽锅炉的设计

新型燃煤锅炉的设计，主要考虑的问题是使用稠油回用水时如何让省煤器、蒸发管束等部件保持不结垢、不积盐、不被腐蚀。还有就是如何让新型锅炉注入的蒸汽保持足够的干度，在实际运行中不出现汽水共腾的现象，以免影响锅炉的水位监测。这些是比较关键的问题，在其实际设计中需要解决。

2.1 盐段蒸发结构

为了解决新型燃煤注汽锅炉给水时，含盐量超标的问题，结合一直以来注汽锅炉给水方面一些成熟的结构，新型燃煤注汽锅炉可以采用分段蒸发的方式，除了在这种新型的锅炉的炉膛中，适当布置一些水冷壁受热面，也可以在这种新型的锅炉的尾部烟道上安装蒸发管束，这样可以与这种新型的锅炉的锅筒内侧盐段组成一个独立的循环回路，这样可以采用一些含盐量比较高的锅水。另外就是这种新型的锅炉尾部的烟道中，对流受热面是比较容易进行维护和检修的，若是含盐量较高的锅炉水让受热面被腐蚀，这个时候就能让检修的成本降低，是比较实用的一种设计，也是在最大程度上让这种新型的锅炉蒸发管突发事故的几率降低，从而也是尽可能减少对这种新型的锅炉正常运行的影响。另外就是该锅炉蒸发管的下集箱，是使用外置绝热的，这样可以开展紧急的补水以及排污，是比较便捷的设计。

蒸发管柱的主要结构是垂直向上的，在进水口的位置是水平上倾的，结合已有的设计经验以及运行的情况，比较安全的角度就是7°上倾角。水平上倾的这部分是位于水入口，因此蒸发的时候气泡产生并不多，在出口的截面控制含汽率在0.08以下，所以非常安全。如果含汽率超过了这个限度，就会进入到垂直管道，也不会有过热的现象出现，经过严格的计算以后，这个位置的水流速约0.94 m/s，所以不会有流动分层的现象出现。

也是因为新型锅炉的这种设计，充分考虑到流动的问题，避免有气泡滞留以及流动分层的情况出现，整个管基本上是用水润湿，可以避免出现局部过热或者腐蚀的问题。

2.2 防止新燃煤锅炉省煤器结垢积盐的措施

首先是在新燃煤锅炉的尾部烟道，安装蒸发管束，这样可以将一部分热量吸收，从而降低新型的锅炉省煤器的烟温，也是让这种新型的锅炉省煤器总体的吸热量减少，让出口水有比较高的欠焓。同时，新燃煤锅炉省煤器出水的温度要比饱和的温度低30℃以上，这样可以避免出水沸腾以后的积盐问题。

新型的锅炉出水欠焓较大，因此在其实际运行中，压力降低，热值下降以及运行的风量有所增加的情况下，其省煤器出水并不会有沸腾出现。

为了避免蒸发管束水包受热后有杂质沉淀，导致管口被堵塞或者让金属壁温度升高，可以将水包设置在新燃煤锅炉外。新型的锅炉省煤器中的水速保持较高水平，可以避免水中的盐在管道内沉积。

2.3 防止水冷壁和蒸发管束结垢积盐的措施

可以用循环流化床循环高压锅炉，汽水系统回路循环倍率基本上是在12倍的范围内。也就是说，在这2个位置的蒸汽含量基本上是8%，就不会有水滴到管壁上出现蒸发的问题，同时也可以避免在出口管段有结垢和积盐的现象。如果是新型锅炉的实际运行压力有所降低，这时循环系统的倍率就会提升，而2个位置的蒸汽量就会有所减少，循环的可靠性会有所提升，有效避免积盐现象。

水冷系统主要是采用直径比较大的下集箱，这样可以使水冷系统具备更高的沉渣能力，让水循环更加安全可靠。

2.4 防止锅筒积盐的措施

新燃煤锅炉是依据分段蒸发进行设计的，净段和盐段都是有各自的循环回路，净段的蒸发量保持在80%～90%，盐段的蒸发量则是10%～20%。这样，在给水品质基本相同并且排污量相同的情况下，净段的浓度则是要更低。也就是说，原本是100%的高浓度锅水，成为了只有盐段的锅水，净段的含盐量则会有明显降低。这一设计能让积盐的情况得到显著改善，同时也让新型锅炉更加实用。

锅水的含盐量主要与排污量有关系，如果排污率高，那么锅水的浓度就会有所降低。这样，可以用高排污来让盐段含盐量保持在更合理的范围内。

2.5 保持蒸汽干度以及防治汽水共腾的措施

新型锅炉的锅筒采用分段蒸发的设计，其中80%以上的蒸汽是在低浓度锅水里产生的，在排污率相同的情况下，蒸汽品质相比于单端蒸发要更加突出。另外在盐段可以让排污率更高一些，可以让含水量保持在更加合理的范围内。净段以及盐段水位计是分别进行设计的，在净段设置用来监测水位并对给水量进行适当的调节，盐段则是用来对排污率进行监测。

3 结论

在稠油开采中的运用，新型燃煤注汽锅炉是在新时期油田生产中对注汽锅炉的一种优化。以往的注汽锅炉采用的燃料以及工作方式虽然技术比较成熟，但是也有一些明显的劣势。新型燃煤注汽锅炉的优势，也是在实践中受到了诸多企业的认可。可以看出，这种新型锅炉融合了自动化技术，让操作更加便捷，也降低了企业的一些成本，还是具有发展前景的。