超臨界壓力注汽鍋爐技術(shù)方案

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1、YZF9-26/395-D型 超臨界油田專用注汽鍋爐 設(shè) 計 方 案 中國石油天然氣第八建設(shè) 2 0 0 6 年6 月 目 錄 一、概述 二、主要技術(shù)參數(shù) 三、工作原理及流程簡介 四、控制系統(tǒng)簡介 五、主要技術(shù)關(guān)鍵、特殊材料和配件 六、其它 一、概述 隨著我國稠油開采的不斷深入，超深稠油的開采已提上議事日程，現(xiàn)有的常規(guī)鍋爐已不能滿足稠油開采向更深領(lǐng)域發(fā)展的需要。據(jù)資料介紹：勝利、遼河等油田都有相當(dāng)儲量的超深稠油，但由于缺少稠油開采中的核心設(shè)備--超臨界壓力注汽鍋爐，這部分儲量一直無法有效的開發(fā)利用。 我公司在二十世紀(jì)八十年代初期就

2、試制生產(chǎn)了我國第一臺油田專用注汽鍋爐，現(xiàn)已形成了7.0t/h、9.0t/h、11.2t/h、22.5t/h，額定壓力17.2MPa、18.2MPa、21.0MPa系列化生產(chǎn)規(guī)模，到目前為止累計生產(chǎn)數(shù)量已近300臺。特別是2001年，公司根據(jù)勝利油田開發(fā)的需要，研制開發(fā)了11.2t/h、21.0MPa注汽鍋爐，在壓力等級上達(dá)到了國際、國內(nèi)同類產(chǎn)品的最高水平，緩解了深井區(qū)塊、超稠油區(qū)塊開采難的矛盾。在油田投入使用后，效果良好，2002年6月份通過了省級新產(chǎn)品技術(shù)鑒定，整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，目前已在全國各個油田廣泛使用。 近三年，公司圍繞超臨界壓力注汽鍋爐的研制開發(fā)，連續(xù)對勝利油田、遼河油田

3、、哈爾濱鍋爐廠、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、長春鍋爐儀表廠等用戶和院所進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，吸取并接納了各方面知名專家、教授的指導(dǎo)，使我們進(jìn)一步掌握了超臨界壓力注汽鍋爐設(shè)計中應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵問題，為超臨界壓力注汽鍋爐的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。 二、主要技術(shù)參數(shù) 針對目前各油田超深稠油的試開采情況，初步確定超臨界壓力鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如下： 額定蒸發(fā)量： 9.0 　t/h 額定蒸汽壓力： 26.0 　MPa 額定蒸汽溫度： 395 　 ℃ 額定熱功率： 5.6 MW 額

4、定熱效率： 88 　 ％ 負(fù)荷調(diào)節(jié)： 70-100 ％ 控制方式： PLC+觸摸屏+工控機(jī) 裝載方式： 拖車 三、工作原理及流程簡介 超臨界壓力鍋爐的工作原理，不同于亞臨界壓力以下的注汽鍋爐，其水汽系統(tǒng)的流動形態(tài)發(fā)生了根本性的改變，工質(zhì)系單相介質(zhì),沒有汽液兩相同時存在的沸騰狀態(tài)，只有兩個單相流體之間的相變。當(dāng)壓力在P/Plj≤1.2范圍內(nèi),溫度處于擬臨界溫度附近時,工質(zhì)的某些物性發(fā)生劇烈的變化,尤其是工質(zhì)的比熱容急劇增大,存在一個大比熱區(qū)。當(dāng)工質(zhì)的定壓

5、比熱容cp達(dá)到最大時對應(yīng)的溫度，稱為擬臨界溫度。在大比熱區(qū)內(nèi)，管壁與工質(zhì)間的換熱有如下特點(diǎn)： 1、最大比熱容點(diǎn)附近工質(zhì)的溫度接近不變； 2、 在熱負(fù)荷q較小，工質(zhì)的質(zhì)量流速ρw較大時，接近最大比熱區(qū)附近工質(zhì)的換熱系數(shù)α2很大； 3、 在熱負(fù)荷q較高，工質(zhì)的質(zhì)量流速ρw較小時，大比熱區(qū)內(nèi)工質(zhì)的換熱系數(shù)α2突然減小， 壁溫飛升，出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象； 4、 在大比熱區(qū)以外，工質(zhì)換熱規(guī)律與臨界壓力以下的單相流體相同。通常把比熱容大于 2 kcal/kg.℃的區(qū)域稱為大比熱區(qū)，使比熱容達(dá)到極大值所對應(yīng)的擬臨界溫度為相變點(diǎn)，工質(zhì)溫度低于擬臨界溫度時為水，高于擬臨界溫度時為汽。 針對超臨界壓力鍋

6、爐的這些特點(diǎn)，設(shè)計鍋爐流程如下（見附圖） 從水處理裝置來的除鹽水（20℃左右）進(jìn)入柱塞泵升壓。在泵前裝有入口減震器，以保證入口水的穩(wěn)定供應(yīng)；在泵的出口裝有出口減震器，以保證出口水的壓力平穩(wěn)。給水先進(jìn)入給水預(yù)熱器，使給水溫度提高到煙氣露點(diǎn)以上(90-120℃之間)，以避免煙氣低溫腐蝕。經(jīng)預(yù)熱的水進(jìn)入省煤段的翅片管，在這里吸收熱量后(209℃左右)進(jìn)入輻射段進(jìn)一步加熱(292℃左右)，然后再進(jìn)入預(yù)熱器作為熱源加熱給水，經(jīng)冷卻后（203℃左右）又重新進(jìn)入輻射段，水在輻射段經(jīng)加熱后（367℃左右）進(jìn)入對流段的高溫區(qū)進(jìn)行汽化（或過熱）（395℃左右），最后經(jīng)鍋爐出口處的孔板計量裝置而出鍋爐本體。 超

7、臨界壓力鍋爐由于其水汽系統(tǒng)的特點(diǎn)不同于原有的亞臨界壓力鍋爐，因此配套的水處理設(shè)備也相應(yīng)的嚴(yán)格，不僅要考慮除硬、除氧，而且還必須考慮去除水中的鹽分，這樣才能保證鍋爐的安全使用。 本方案選用移動式水處理設(shè)備,主要設(shè)備結(jié)構(gòu)為： 反滲透主機(jī)：6000X1000X2000 反滲透清洗裝置：2000X1500X1500 EDI主機(jī)：2300X1000X1800 真空膜式除氧器： 2500X1500X1680 反滲透是一種以壓力為推動力，通過選擇性透過膜將溶液中的溶質(zhì)和溶劑分離的應(yīng)用技術(shù)。反滲透可除去水中97%以上的溶解鹽類和99%以上的膠體、微生物、微粒和有機(jī)物等，成為現(xiàn)代純水、高純水、太空水工

8、程中首選的最佳設(shè)備。反滲透具有技術(shù)先進(jìn)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已在北京、天津、上海、山東等地得到廣泛應(yīng)用。 EDI：通常稱為連續(xù)電離子除鹽法。它是將電滲析法與離子交換法集成后的一種新型水處理方法。它利用了電滲析極化時產(chǎn)生的H+和OH-對離子交換樹脂進(jìn)行再生，集成了電滲析法和離子交換法的優(yōu)點(diǎn)，并且克服了它們的缺點(diǎn)，即克服了電滲析法的極化現(xiàn)象和離子交換法需要酸、堿溶液的化學(xué)再生。 一級二段反滲透脫鹽裝置系統(tǒng)圖 四、控制系統(tǒng) 1、 系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)采用過程級PLC、人機(jī)控制界面、工程師站三級控制，具備過程控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障報警、故障診斷、報表生成、報表打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史故障查詢、歷史

9、曲線生成和界面、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能。（見系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖虛線下部分）。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2、 硬件配置 PLC主機(jī)采用OMRON公司的高端CS1系列產(chǎn)品，不但具有高可靠性，支持復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，同時其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊管理功能，可方便的與上位計算機(jī)實現(xiàn)對接。CPU采用CPU42系列，板載8K內(nèi)存，RS232×2，RS422/485×1通訊接口； 配備高精度8通道A/D模塊×3和D/A模塊×1，其采樣分辨率為1/4000，確保各變量檢測結(jié)果的精確性； 人機(jī)界面采用昆侖通態(tài)TPC105-TD33型觸摸屏，其液晶屏為10.4″TFT真彩色，分辨率達(dá)1024×1024，內(nèi)置嵌入式低功耗CPU速度為2

10、00MHz，具有128M內(nèi)存，可內(nèi)置1Gbit閃存盤；接口RS232×2，RS485×2，USB×2，LAN×1，通過嵌入版編程軟件可實現(xiàn)屏幕組態(tài)，全部數(shù)據(jù)集中顯示，過程控制與操作全部界面化； 上位計算機(jī)配置采用P4-2GHz/256MB內(nèi)存/80G硬盤/19″純平顯示器，并配備打印機(jī)和專用機(jī)柜。采用三級密碼權(quán)限管理，隨時查閱運(yùn)行記錄、報警記錄等歷史數(shù)據(jù)，并可通過以太網(wǎng)卡隨時上傳數(shù)據(jù)入網(wǎng)，完全符合數(shù)字化管理的需要。 3、 軟件功能 運(yùn)行監(jiān)測：顯示濕蒸汽發(fā)生器、水處理工藝流程和運(yùn)行變量瞬時值和累計量； 調(diào)節(jié)控制：顯示水量、火量、煙氣含氧量、制水量、進(jìn)鹽量，以完成水火跟蹤、水處理反滲透和E

11、DI裝置的監(jiān)測與自控。 點(diǎn)火啟爐：完成點(diǎn)火的準(zhǔn)備和點(diǎn)火啟爐過程，顯示點(diǎn)火過程及鍋爐運(yùn)行狀態(tài)； 報警顯示：顯示報警狀態(tài)、鍋爐電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)； 系統(tǒng)測試：完成相關(guān)設(shè)備的啟動和系統(tǒng)開關(guān)量和模擬量的通道測試。 歷史曲線：重要變量的實時曲線和歷史曲線顯示； 歷史故障：歷史故障查詢（觸摸屏可保留20天記錄、上位機(jī)可永久保留記錄）； 數(shù)據(jù)報表：運(yùn)行數(shù)據(jù)的報表生成和打?。ㄉ衔粰C(jī)記錄永久保留）； 參數(shù)設(shè)置：報警值的上下限、報警回差、PID參數(shù)、制水量、水處理主要工藝參數(shù)的限制； 系統(tǒng)幫助：系統(tǒng)操作指南。 4、 主要報警點(diǎn)設(shè)置 蒸汽壓力高、蒸汽溫度高、排煙溫度高、管壁溫度高（測量2點(diǎn)）、燃燒

12、器喉頭溫度高、燃燒器門打開、燃燒器一次風(fēng)壓低、燃燒器二次風(fēng)壓低、入口水壓低、燃油溫度低、柱塞泵潤滑油壓力低、電源故障、火焰故障、對流入口溫度超限、給水流量低。 5、 壓力變送器 從水入口到泵出口直至蒸汽出口、燃油入口等主要參數(shù)點(diǎn)均采用日本橫河中、高壓力 等級的EJA系列智能式壓力變送器（取消所有的壓力開關(guān)設(shè)置，通過A/D實現(xiàn)參數(shù)的全部數(shù)字化）。EJA變送器采用復(fù)合式單晶硅諧振式傳感器，其技術(shù)參數(shù)如下： 測量精度：±0.075%； 重復(fù)性 ：±0.075%； 測量范圍：壓力-0.1～32MPa； 差壓1～100KPa（高靜壓40.0 MPa）； 具有高穩(wěn)定性和高可靠性，連續(xù)工作五

13、年而不需調(diào)校零點(diǎn)； 供電電源：21.6～32VDC； 信號輸出：兩線制，4-20mADC或數(shù)字通訊； 工作條件：環(huán)境溫度：-30～80℃； 環(huán)境濕度：5～100%RH。 6、 溫度傳感器（熱電偶） 蒸汽及管壁等測溫范圍在600℃以下，采用測量精度比較高的熱電偶。 傳感器類型：K型 A精度等級：±（0.15+0.2%|t|） 7、信號處理單元 信號處理單元是將輸入信號經(jīng)信號變壓器實現(xiàn)三端電氣隔離（輸入、輸出、電源）后輸出，這樣可以保證輸入信號、輸出信號、電源三方完全隔離，無論是現(xiàn)場的干擾信號還是供電電源的雜波都無法引入到控制系統(tǒng)中，這樣可以進(jìn)一步提高輸入信號抗干擾能力。為此

14、采集的壓力、差壓、溫度信號經(jīng)配電隔離后再由PLC采集；隔離出模塊是將PLC的輸出電流信號隔離后輸出，因多個輸出電流信號不共地，保證了調(diào)節(jié)設(shè)備穩(wěn)定、可靠。 輸入信號：兩線制4-20mADC或0-20mADC、PT100熱電阻 輸出信號：4-20 mA 轉(zhuǎn)換精度：±0.2%， 配電電源：24VDC±10% 負(fù)載電阻：0～300Ω 工作條件：環(huán)境溫度：0～50℃ 相對濕度：<85%RH 8、供電電源 采用高精度的數(shù)?；蚰?shù)轉(zhuǎn)換模塊，要求供電電源能適應(yīng)大幅度的供電波動，能隔離電網(wǎng)中的各種雜波且輸出紋波小，保證隔離模塊的信號轉(zhuǎn)換和A/D或D/A數(shù)據(jù)采樣及變換不受電網(wǎng)的干擾影響，為提高控

15、制系統(tǒng)的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)，選用西門子SITOP開關(guān)電源。電源技術(shù)參數(shù)如下： 輸入電壓：120～264VAC 輸出電壓: 24VDC±1% 輸出紋波: ﹤150mV 工作條件：環(huán)境溫度：0～60℃ 五、主要技術(shù)關(guān)鍵、特殊材料和配件 1、主要技術(shù)關(guān)鍵： 1）將汽水流程中容易產(chǎn)生傳熱危機(jī)的最大比熱區(qū)移到熱負(fù)荷相對較小的對流段(輻射段q=92kw/m2，對流段q=70kw/m2)； 2）采用小管徑，增大質(zhì)量流速ρw（φ73x11管：ρw=1224 kg/m2s，φ60x10管：ρw=1805 kg/m2s），以保證q/ρw＜0.42 kJ/kg； 3）在亞臨界壓力下，熱負(fù)荷的控制及蒸

16、汽干度的測量； 4）水處理技術(shù)RO2+EDI的應(yīng)用。 2、特殊材料： 輻射段全部和對流段高溫區(qū)管束采用φ60x10的12Cr1MoV內(nèi)螺紋鍋爐管，耐溫可達(dá)500℃，對流段省煤器采用φ60x10的15CrMo鍋爐管。 3、主要配件： 1）給水泵及變頻裝置 采用容積式往復(fù)五柱塞泵，型號為5GP-11/31.5，最大給水流量11T/H，最大壓力31.5Mpa，電機(jī)功率132KW；配套的變頻裝置，采用富士FRNC132G11S-4C變頻器，內(nèi)部電氣元件均采用施耐德或其它質(zhì)優(yōu)合資產(chǎn)品，流量控制穩(wěn)定、波動小。擬取消回水流程。 2）燃燒器 采用德國扎克公司一體化轉(zhuǎn)杯式燃燒器，排煙中未燃盡固形

17、物含量極低，在燃燒瀝青含量很高的重油時，效果遠(yuǎn)好于其它燃燒器。額定出力6.60MW，電機(jī)功率22.5KW（其中轉(zhuǎn)杯霧化電機(jī)功率4KW）。 使用扎克燃燒器后，相應(yīng)的蒸汽及空氣霧化流程均取消。 3）電加熱器 采用功率為15KW的國產(chǎn)棒式電加熱器，安全可靠，使用壽命長；擬不采用蒸汽-油換熱器的方式加熱燃油。 4）高壓閥門 水汽流程上所有規(guī)格的截止閥、止回閥均采用美國EDWARD公司產(chǎn)品，壓力等級為4500#，安全閥采用上海凱特閥門制造產(chǎn)品。 六、其它 1）拖車 拖車采用營口拖車廠產(chǎn)品，規(guī)格為16.5米×3 .2米，機(jī)械式升降支腿。 2）防護(hù)板房 采用彩板壓制組合。 3）安全標(biāo)識與照明 在用電、爬高、高溫高壓等操作區(qū)域均設(shè)有醒目的符合國家規(guī)范的安全提示標(biāo)識，尾部設(shè)有露天照明。