超临界压力注汽锅炉技术方案.docx

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超临界压力注汽锅炉技术方案

YZF9-26/395-D型

超临界油田专用注汽锅炉

设计方案

中国石油天然气第八建设有限公司

2006年6月

一、概述

二、主要技术参数

三、工作原理及流程简介

四、控制系统简介

五、主要技术关键、特殊材料和配件

六、其它

一、概述

随着我国稠油开采的不断深入，超深稠油的开采已提上议事日程，现有的常规锅炉已不能满足稠油开采向更深领域发展的需要。

据资料介绍：

胜利、辽河等油田都有相当储量的超深稠油，但由于缺少稠油开采中的核心设备--超临界压力注汽锅炉，这部分储量一直无法有效的开发利用。

我公司在二十世纪八十年代初期就试制生产了我国第一台油田专用注汽锅炉，现已形成了7.0t/h、9.0t/h、11.2t/h、22.5t/h，额定压力17.2MPa、18.2MPa、21.0MPa系列化生产规模，到目前为止累计生产数量已近300台。

特别是2001年，公司根据胜利油田开发的需要，研制开发了11.2t/h、21.0MPa注汽锅炉，在压力等级上达到了国际、国内同类产品的最高水平，缓解了深井区块、超稠油区块开采难的矛盾。

在油田投入使用后，效果良好，2002年6月份通过了省级新产品技术鉴定，整体技术达到了国际先进水平，目前已在全国各个油田广泛使用。

近三年，公司围绕超临界压力注汽锅炉的研制开发，连续对胜利油田、辽河油田、哈尔滨锅炉厂、哈尔滨工业大学、西安交通大学、长春锅炉仪表厂等用户和院所进行了广泛的调研，吸取并接纳了各方面知名专家、教授的指导，使我们进一步掌握了超临界压力注汽锅炉设计中应注意的几个关键问题，为超临界压力注汽锅炉的设计奠定了理论基础。

二、主要技术参数

针对目前各油田超深稠油的试开采情况，初步确定超临界压力锅炉主要技术参数如下：

额定蒸发量：

9.0　t/h

额定蒸汽压力：

26.0　MPa

额定蒸汽温度：

395　℃

额定热功率：

5.6MW

额定热效率：

88　％

负荷调节：

70-100％

控制方式：

PLC+触摸屏+工控机

装载方式：

拖车

三、工作原理及流程简介

超临界压力锅炉的工作原理，不同于亚临界压力以下的注汽锅炉，其水汽系统的流动形态发生了根本性的改变，工质系单相介质,没有汽液两相同时存在的沸腾状态，只有两个单相流体之间的相变。

当压力在P/Plj≤1.2范围内,温度处于拟临界温度附近时,工质的某些物性发生剧烈的变化,尤其是工质的比热容急剧增大,存在一个大比热区。

当工质的定压比热容cp达到最大时对应的温度，称为拟临界温度。

在大比热区内，管壁与工质间的换热有如下特点：

1、最大比热容点附近工质的温度接近不变；

2、在热负荷q较小，工质的质量流速ρw较大时，接近最大比热区附近工质的换热系数α2很大；

3、在热负荷q较高，工质的质量流速ρw较小时，大比热区内工质的换热系数α2突然减小，

壁温飞升，出现传热恶化现象；

4、在大比热区以外，工质换热规律与临界压力以下的单相流体相同。

通常把比热容大于

2kcal/kg.℃的区域称为大比热区，使比热容达到极大值所对应的拟临界温度为相变点，工质温度低于拟临界温度时为水，高于拟临界温度时为汽。

针对超临界压力锅炉的这些特点，设计锅炉流程如下（见附图）

从水处理装置来的除盐水（20℃左右）进入柱塞泵升压。

在泵前装有入口减震器，以保证入口水的稳定供应；在泵的出口装有出口减震器，以保证出口水的压力平稳。

给水先进入给水预热器，使给水温度提高到烟气露点以上（90-120℃之间），以避免烟气低温腐蚀。

经预热的水进入省煤段的翅片管，在这里吸收热量后（209℃左右）进入辐射段进一步加热（292℃左右），然后再进入预热器作为热源加热给水，经冷却后（203℃左右）又重新进入辐射段，水在辐射段经加热后（367℃左右）进入对流段的高温区进行汽化（或过热）（395℃左右），最后经锅炉出口处的孔板计量装置而出锅炉本体。

超临界压力锅炉由于其水汽系统的特点不同于原有的亚临界压力锅炉，因此配套的水处理设备也相应的严格，不仅要考虑除硬、除氧，而且还必须考虑去除水中的盐分，这样才能保证锅炉的安全使用。

本方案选用移动式水处理设备,主要设备结构为：

反渗透主机：

6000X1000X2000反渗透清洗装置：

2000X1500X1500

EDI主机：

2300X1000X1800真空膜式除氧器：

2500X1500X1680

反渗透是一种以压力为推动力，通过选择性透过膜将溶液中的溶质和溶剂分离的应用技术。

反渗透可除去水中97%以上的溶解盐类和99%以上的胶体、微生物、微粒和有机物等，成为现代纯水、高纯水、太空水工程中首选的最佳设备。

反渗透具有技术先进、占地面积小等优点，目前已在北京、天津、上海、山东等地得到广泛应用。

EDI：

通常称为连续电离子除盐法。

它是将电渗析法与离子交换法集成后的一种新型水处理方法。

它利用了电渗析极化时产生的H+和OH-对离子交换树脂进行再生，集成了电渗析法和离子交换法的优点，并且克服了它们的缺点，即克服了电渗析法的极化现象和离子交换法需要酸、碱溶液的化学再生。

一级二段反渗透脱盐装置系统图

四、控制系统

1、系统构成

系统采用过程级PLC、人机控制界面、工程师站三级控制，具备过程控制、状态监测、故障报警、故障诊断、报表生成、报表打印、历史数据查询、历史故障查询、历史曲线生成和界面、数据远传等功能。

（见系统控制结构图虚线下部分）。

控制系统结构示意图

2、硬件配置

PLC主机采用OMRON公司的高端CS1系列产品，不但具有高可靠性，支持复杂的数学运算，同时其强大的网络通讯管理功能，可方便的与上位计算机实现对接。

CPU采用CPU42系列，板载8K内存，RS232×2，RS422/485×1通讯接口；

配备高精度8通道A/D模块×3和D/A模块×1，其采样分辨率为1/4000，确保各变量检测结果的精确性；

人机界面采用昆仑通态TPC105-TD33型触摸屏，其液晶屏为10.4″TFT真彩色，分辨率达1024×1024，内置嵌入式低功耗CPU速度为200MHz，具有128M内存，可内置1Gbit闪存盘；接口RS232×2，RS485×2，USB×2，LAN×1，通过嵌入版编程软件可实现屏幕组态，全部数据集中显示，过程控制与操作全部界面化；

上位计算机配置采用P4-2GHz/256MB内存/80G硬盘/19″纯平显示器，并配备打印机和专用机柜。

采用三级密码权限管理，随时查阅运行记录、报警记录等历史数据，并可通过以太网卡随时上传数据入网，完全符合数字化管理的需要。

3、软件功能

运行监测：

显示湿蒸汽发生器、水处理工艺流程和运行变量瞬时值和累计量；

调节控制：

显示水量、火量、烟气含氧量、制水量、进盐量，以完成水火跟踪、水处理反渗透和EDI装置的监测与自控。

点火启炉：

完成点火的准备和点火启炉过程，显示点火过程及锅炉运行状态；

报警显示：

显示报警状态、锅炉电气设备运行状态；

系统测试：

完成相关设备的启动和系统开关量和模拟量的通道测试。

历史曲线：

重要变量的实时曲线和历史曲线显示；

历史故障：

历史故障查询（触摸屏可保留20天记录、上位机可永久保留记录）；

数据报表：

运行数据的报表生成和打印（上位机记录永久保留）；

参数设置：

报警值的上下限、报警回差、PID参数、制水量、水处理主要工艺参数的限制；

系统帮助：

系统操作指南。

4、主要报警点设置

蒸汽压力高、蒸汽温度高、排烟温度高、管壁温度高（测量2点）、燃烧器喉头温度高、燃烧器门打开、燃烧器一次风压低、燃烧器二次风压低、入口水压低、燃油温度低、柱塞泵润滑油压力低、电源故障、火焰故障、对流入口温度超限、给水流量低。

5、压力变送器

从水入口到泵出口直至蒸汽出口、燃油入口等主要参数点均采用日本横河中、高压力

等级的EJA系列智能式压力变送器（取消所有的压力开关设置，通过A/D实现参数的全部数字化）。

EJA变送器采用复合式单晶硅谐振式传感器，其技术参数如下：

测量精度：

±0.075%；

重复性：

±0.075%；

测量范围：

压力-0.1～32MPa；差压1～100KPa（高静压40.0MPa）；

具有高稳定性和高可靠性，连续工作五年而不需调校零点；

供电电源：

21.6～32VDC；

信号输出：

两线制，4-20mADC或数字通讯；

工作条件：

环境温度：

-30～80℃；

环境湿度：

5～100%RH。

6、温度传感器（热电偶）

蒸汽及管壁等测温范围在600℃以下，采用测量精度比较高的热电偶。

传感器类型：

K型

A精度等级：

±（0.15+0.2%|t|）

7、信号处理单元

信号处理单元是将输入信号经信号变压器实现三端电气隔离（输入、输出、电源）后输出，这样可以保证输入信号、输出信号、电源三方完全隔离，无论是现场的干扰信号还是供电电源的杂波都无法引入到控制系统中，这样可以进一步提高输入信号抗干扰能力。

为此采集的压力、差压、温度信号经配电隔离后再由PLC采集；隔离出模块是将PLC的输出电流信号隔离后输出，因多个输出电流信号不共地，保证了调节设备稳定、可靠。

输入信号：

两线制4-20mADC或0-20mADC、PT100热电阻

输出信号：

4-20mA

转换精度：

±0.2%，

配电电源：

24VDC±10%

负载电阻：

0～300Ω

工作条件：

环境温度：

0～50℃

相对湿度：

<85%RH

8、供电电源

采用高精度的数模或模数转换模块，要求供电电源能适应大幅度的供电波动，能隔离电网中的各种杂波且输出纹波小，保证隔离模块的信号转换和A/D或D/A数据采样及变换不受电网的干扰影响，为提高控制系统的稳定性奠定基础，选用西门子SITOP开关电源。

电源技术参数如下：

输入电压：

120～264VAC

输出电压:

24VDC±1%

输出纹波:

﹤150mV

工作条件：

环境温度：

0～60℃

五、主要技术关键、特殊材料和配件

1、主要技术关键：

1）将汽水流程中容易产生传热危机的最大比热区移到热负荷相对较小的对流段（辐射段q=92kw/m2，对流段q=70kw/m2）；

2）采用小管径，增大质量流速ρw（φ73x11管：

ρw=1224kg/m2s，φ60x10管：

ρw=1805kg/m2s），以保证q/ρw＜0.42kJ/kg；

3）在亚临界压力下，热负荷的控制及蒸汽干度的测量；

4）水处理技术RO2+EDI的应用。

2、特殊材料：

辐射段全部和对流段高温区管束采用φ60x10的12Cr1MoV内螺纹锅炉管，耐温可达500℃，对流段省煤器采用φ60x10的15CrMo锅炉管。

3、主要配件：

1）给水泵及变频装置

采用容积式往复五柱塞泵，型号为5GP-11/31.5，最大给水流量11T/H，最大压力31.5Mpa，电机功率132KW；配套的变频装置，采用富士FRNC132G11S-4C变频器，内部电气元件均采用施耐德或其它质优合资产品，流量控制稳定、波动小。

拟取消回水流程。

2）燃烧器

采用德国扎克公司一体化转杯式燃烧器，排烟中未燃尽固形物含量极低，在燃烧沥青含量很高的重油时，效果远好于其它燃烧器。

额定出力6.60MW，电机功率22.5KW（其中转杯雾化电机功率4KW）。

使用扎克燃烧器后，相应的蒸汽及空气雾化流程均取消。

3）电加热器

采用功率为15KW的国产棒式电加热器，安全可靠，使用寿命长；拟不采用蒸汽-油换热器的方式加热燃油。

4）高压阀门

水汽流程上所有规格的截止阀、止回阀均采用美国EDWARD公司产品，压力等级为4500#，安全阀采用上海凯特阀门制造有限公司产品。

六、其它

1）拖车

拖车采用营口拖车厂产品，规格为16.5米×3.2米，机械式升降支腿。

2）防护板房

采用彩板压制组合。

3）安全标识与照明

在用电、爬高、高温高压等操作区域均设有醒目的符合国家规范的安全提示标识，尾部设有露天照明。