一种水汽换热系统及其可移动式注汽锅炉和注汽方法与流程

本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种水汽换热系统及其可移动式注汽锅炉和注汽方法。

背景技术：

石油开采业是是推动经济稳定发展和国防安全的重要基础，稠油是润滑油行业、航天行业用油的重要原料，稠油开发对能源行业有重要意义。现阶段，稠油开采的主要问题是成本居高不下，稠油开采常采用注汽工艺，通过向油层注入高温蒸汽，降低稠油粘度，使原油容易采出。降低注汽成本亟待解决。目前油田技术情况如下：注汽环节，蒸汽设备以70吨硫化床和23吨燃煤燃气锅炉为主，每台固定锅炉有固定管线呈辐射状连接至周边采油井口。

但是目前的固定锅炉注汽工艺有以下问题：第一、受注汽半径的影响，新疆油田锅炉有效运行时率仅约40％，400多台锅炉有大半不能有效运行；设备占用及折旧成本高；第二、配套的注汽管线管网长、口径大，管线建设投资大；第三、注汽管路中，单井注汽半径较长，热损失严重；第四、单井离锅炉距离不同，无法精细管理和对比单井油气比。

专利文件cn202012901u公开了一种可移动式注汽锅炉，该注汽锅炉在辐射段与对流段之间设置冷却室,燃烧器设置在辐射段上,将燃烧器和鼓风机通过风道连接,对流段设置在冷却室上方,烟囪在对流段的出口端,注汽锅炉的主管线为经过水处理装置过滤、去硬后的水,进入柱塞泵,从柱塞泵进入冷却室内的管束内,通过吸收烟气热度提高进入对流段的入水温度,水从对流段流出之后直接进入辐射段,克服了现有注汽锅炉存在运行时烟温过高,对流段管束出现酸腐蚀的现象的不足。但是辐射段的烟气出口处为温度最高的位置，利用冷却段对水进行加热不可避免的造成对烟气锅炉热量的浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水汽换热系统及其可移动式注汽锅炉和注汽方法，以解决上述存在的技术问题，利用对流段吸收热量后的水介质对初始的水介质进行预热，以避免烟气对翅片管的低温腐蚀，且能够对锅炉的热量进行充分利用，并且能够提高注汽锅炉的运行时率，降低设备折旧成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：提供一种注汽锅炉的水汽换热系统，包括位于水泵和锅炉对流段之间的水式换热器、位于锅炉对流段内的烟气换热器、位于锅炉辐射段内的辐射段换热器，所述水式换热器包括互相换热且分别用于水介质流通的换热器内管和换热器外管，所述换热器内管、所述烟气换热器、所述换热器外管和所述辐射段换热器沿水介质流通的方向依次连通。

优选的，所述辐射段的烟气出口处连通设有过热段，所述过热段内设有用对水介质进一步加热蒸发的过热段换热器，所述过热段换热器与所述辐射段换热器相连通。

还提供一种可移动式注汽锅炉，包括可移动式拖车及设置在所述可移动式拖车上的注汽锅炉本体，所述注汽锅炉本体包括辐射段、过热段、对流段和水式换热器，所述辐射段横置在所述可移动式拖车上，其末端顶部开设有烟气出口，所述过热段、所述对流段依次与所述烟气出口相连通，并叠落放置在所述烟气出口的上方，所述水式换热器固定在所述辐射段的顶部，且位于所述烟气出口的一侧。

优选的，所述可移动式拖车上设有用于将由所述过热段流出的水蒸汽干燥的汽水分离器。

优选的，所述汽水分离器的出口连接有管道补偿管，所述管道补偿管呈能够伸缩变形的波纹状结构。

优选的，所述管道补偿管包括多段平行设置的支管，两相邻所述支管之间设有转动连接管，所述转动连接管包括两同轴转动连接的支连接管，两相邻所述支管分别与各所述支连接管垂直且转动连接。

优选的，所述管道补偿管和油井注入口之间可拆卸连通有计量管或用于替换所述计量管的快装管。

优选的，所述可移动式拖车上设有用于对注汽锅炉本体泵入软化水的高压泵，所述高压泵与所述计量管电连接，所述高压泵根据所述计量管测量到的蒸汽量控制泵入软化水的量。

优选的，所述辐射段上设有燃烧系统，所述燃烧系统包括燃烧器、鼓风机和与所述燃烧器配套的燃气管路，所述燃烧器和所述鼓风机适配固定在所述辐射段的侧壁上。

还提供一种可移动式注汽锅炉的注汽方法，包括如下步骤：

s1、注汽前区块布置：将各注汽采油井口组成一个区块，在区块附近设置油气计量间，所述油气计量间和各所述注汽采油井口通过输油管路连接，成为以油气计量间为中心的辐射状管网；

s2、注汽前管路布置：将各油气计量间通过注汽管路相连通，在位于相邻油气计量间的注汽管路和输油管路上均设有注汽站点；

s3、注汽前锅炉移动：将注汽锅炉内的水放空，将可移动式拖车移动至需要注汽的油井对应的注汽站点处，将管道补偿管与注汽站点的注汽管汇相连通；

s4、制备蒸汽：开启燃烧系统，使得辐射段达到相应温度后，开启高压泵，泵入软化水，软化水依次进入水式换热器的换热内管和烟气换热器，形成汽水混合物后回流至水式换热器的换热外管，并与换热内管的软换水进行换热，汽水混合物流出换热外管后依次进入辐射段换热器和过热段换热器，形成高温高压饱和蒸汽；

s4、注汽：高温高压饱和蒸汽通过计量管注入管网中，通过计量管得到相应的蒸汽量后，关闭高压泵。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

第一、水式换热器包括互相换热且分别用于水介质流通的换热器内管和换热器外管，换热器内管、烟气换热器、换热器外管和辐射段换热器沿水介质流通的方向依次连通，水介质在对流段吸收热量后，进入水式换热器作为热源加热未进入对流段的水介质，使其升温并超过露点温度，以避免烟气对翅片管的低温腐蚀。

第二、辐射段的烟气出口处连通设有过热段，过热段内设有用对水介质进一步加热蒸发的过热段换热器，过热段换热器与辐射段换热器相连通，辐射段出来的湿饱和蒸汽通过过热段换热器继续加热蒸发，进一步提高其干度，保证了对油井的注汽效果。

第三、辐射段横置在可移动式拖车上，其末端顶部开设有烟气出口，过热段、对流段依次与烟气出口相连通，并叠落放置在烟气出口的上方，水式换热器固定在辐射段的顶部，且位于烟气出口的一侧，也就是说，把原来体积大、结构分散的锅炉和烟筒组件，布置成高集成结构，那么其整体则可采用轮式可移动车架固定，用动力机头拖运实现移动，进而能够提高注汽锅炉的运行时率，降低设备折旧成本，而且锅炉移动化后，能够缩短注汽管线管网总长，进而降低注汽管线管网的口径要求，显著降低管网投资、及后期维护损耗。

第四、可移动式拖车上设有汽水分离器，用于将由过热段流出的水蒸汽进一步干燥，以能够保证了对油井的注汽效果。

第五、管道补偿管包括多段平行设置的支管，两相邻支管之间设有转动连接管，转动连接管包括两同轴转动连接的支连接管，两相邻支管分别与各支连接管垂直且转动连接，以保证对注汽锅炉的输出端与油井之间的灵活安装，避免采用固定管件导致锅炉整体的过多移动，提高了整体的工作效率。

第六、管道补偿管和油井注入口之间可拆卸连通有计量管或用于替换计量管的快装管，根据不同的注汽位置，需要单井计量时，在单井注汽管线上连接计量管，这样计量准确，不需计量时，把计量管换成快装管，恢复生产，这样计量管的运行时率明显提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明锅炉系统结构正视图；

图2为本发明锅炉系统结构俯视图；

图3为本发明水泵系统结构正视图；

图4为本发明水泵系统结构俯视图；

图5为本发明汽水分离器系统结构正视图；

图6为本发明汽水分离器系统结构俯视图；

图7为本发明整体结构正视图；

图8为本发明整体结构侧视图；

其中，1-烟筒、2-过热段、3-对流段、4-辐射段、5-燃烧器、6-可移动式拖车、7-燃烧控制系统、8-输水管路、9-入水管路、10-燃气管路、11-水式换热器、12-鼓风机、13-柱塞泵、14-安装支架、15-汽水分离器、16-汽水分离罐、17-单向阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种水汽换热系统及其可移动式注汽锅炉和注汽方法，以解决上述存在的技术问题，利用对流段吸收热量后的水介质对初始的水介质进行预热，以避免烟气对翅片管的低温腐蚀，且能够对锅炉的热量进行充分利用，并且能够提高注汽锅炉的运行时率，降低设备折旧成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-8所示，本实施例中提供一种注汽锅炉的水汽换热系统，包括位于水泵和锅炉对流段3之间的水式换热器11、位于锅炉对流段3内的烟气换热器、位于锅炉辐射段4内的辐射段4换热器，优选的，各换热器采用单翅片管水平往复环绕组成，以提高对锅炉热和烟气热的利用效率，且锅炉辐射段4内表面涂刷htee-e耐火远红外辐射涂料，厚度要求在2mm以上，以保证锅炉辐射段4的耐火性；水式换热器11包括互相换热且分别用于水介质流通的换热器内管和换热器外管，换热器内管、烟气换热器、换热器外管和辐射段4换热器沿水介质流通的方向依次连通，已知的是，硫酸蒸汽的存在使烟气的露点显著升高。如果翅片管温度较低，壁温低于烟气露点，这样硫酸蒸汽就会凝结在翅片管上，造成硫酸腐蚀，那么水介质经水式换热器11进入对流段3，且在对流段3吸收热量后，进入水式换热器11作为热源加热未进入对流段3的水介质，使其升温并超过露点温度，通常要求在110～120℃左右，以避免烟气对翅片管的低温腐蚀，而且水式换热器11主要作用是对初始水介质进行加热，但是又要尽可能提高锅炉的能效，最佳方式就是最大程度利用燃气的能量，避免增加采用其他加热方式，引进其他能量，降低了燃气能量利用率，且需要增加其他加热结构，势必造成整个装置的繁重化，影响后续对整个装置集成车载的设置。

其中，烟气换热器由单翅片管水平往复组成梯形结构，位于烟气低温区域，其功能是将烟气温度进一步降低，提高对锅炉热的利用效率，而且水介质经过柱塞泵13增压进入锅炉各环节，具体压力一般大于0.4mpa，水的沸点达到140摄氏度，一直到辐射段4才变成蒸汽，以进一步减少对烟气换热器的蒸汽腐蚀。

辐射段4的烟气出口处连通设有过热段2，由于辐射段4的烟气出口处温度为锅炉本体温度最高的位置处，过热段2内设有用对水介质进一步加热蒸发的过热段2换热器，过热段2换热器与辐射段4换热器相连通，以保证对水介质最大程度上的加热，其中，水介质从水式换热器11流出后，进入辐射段4继续加热蒸发，转变为干度为75％±5％的高温高压湿饱和蒸汽。将辐射段4出来的湿饱和蒸汽通过过热段2换热器继续加热蒸发，转变为干度为85％的高温高压湿饱和蒸汽，进而通过注汽管网注入油井。

进一步的，提供一种可移动式注汽锅炉，包括可移动式拖车6及设置在可移动式拖车6上的注汽锅炉本体，注汽锅炉本体包括辐射段4、过热段2、对流段3和水式换热器11，辐射段4横置在可移动式拖车6上，其末端顶部开设有烟气出口，过热段2、对流段3依次与烟气出口相连通，并叠落放置在烟气出口的上方，且对流段3连通有锅炉烟筒1，水式换热器11固定在辐射段4的顶部，且位于烟气出口的一侧，优选的为保证对水式换热器11的稳定安装，在辐射段4的顶部固定有安装支架14，把原来体积大、结构分散的锅炉和烟筒1组件，布置成高集成结构，那么其整体则可采用轮式可移动车架固定，注汽时，用动力机头拖运实现移动，将注汽锅炉拉运至各需要注汽的注汽站点，通过活动管线连接至注汽管汇，进而能够提高注汽锅炉的运行时率，降低设备折旧成本。而且锅炉移动化后，能够缩短注汽管线管网总长，进而降低注汽管线管网的口径要求，显著降低管网投资、及后期维护损耗，并且移动式精准注汽，单井之间距离差缩短，可实现精细化管理，有效收集对比单井油气比数据，识别高产井与低效井，做到对单井的精确化管控。优选的注汽锅炉的烟气出口处呈缺口状结构，即注汽锅炉设有烟气出口的高度相对设有辐射段4的高度较低，那么整体降低了对流段3和锅炉烟筒1的重心，保证了移动过程的稳定性。

可移动式拖车6上设有用于将由过热段2流出的水蒸汽干燥的汽水分离器15，以能够保证了对油井的注汽效果。汽水分离器15包括汽水分离罐16及相应的连接管路。通过注蒸汽开采稠油，主要是依靠蒸汽的热能加温原油，蒸汽中的水对稠油生产帮助不大，反而会增加占据地层孔隙体积，使采出液含水率上升，降低原油产量，为了大幅度提高，注入蒸汽干度越高，稠油的采收率越高，因此设置汽水分离器15进一步保证了蒸汽的干度。优选的，在辐射段4和过热段2之间也设有汽水分离装置，将饱和蒸汽通过汽水分离装置从汽水混合物中分离出来，再送入过热器中加热，使蒸汽温度提高从而转化为过热蒸汽，还可以在过热蒸汽的温度达到470℃左右后，将其注入喷水减温器，与汽水分离装置分离出的饱和水再混合，混合后的温度降到约370～390℃，最后将过热蒸汽注入井下。

汽水分离器15的出口连接有管道补偿管，管道补偿管呈能够伸缩变形的波纹状结构，以能够适配油井注入口的位置，根据不同的工况，改变波纹状结构的弯曲或延伸程度，保证了注汽锅炉与油井注入口之间连接的稳定性和灵活性。作为本发明优选的实施方式，管道补偿管包括多段平行设置的支管，两相邻支管之间设有转动连接管，转动连接管包括两同轴转动连接的支连接管，两相邻支管分别与各支连接管垂直且转动连接，进一步保证对注汽锅炉的输出端与油井之间的灵活安装，避免采用固定管件导致锅炉整体的过多移动，提高了整体的工作效率。

管道补偿管和油井注入口之间可拆卸连通有计量管或用于替换计量管的快装管。现有技术中的计量装置连接方式，采用焊缝连接方式，更换很不方便，所以多数连接在总管线上，这样就不能对单井计量，本发明中将管道补偿管和单油井注入口之间采用管路可拆卸连接的方式，例如采用快装卡箍头连接方式，需要单井计量时，在单井注汽管线上连接计量管，这样计量准确，不需计量时，把计量管换成快装管，恢复生产，这样计量管的运行时率，即设备利用率明显提高。优选的，管道补偿管和油井注入口之间还设有单向阀17和截止阀，注汽锅炉产生的蒸汽经单向阀17、截止阀，通过注汽管网注入油井。

可移动式拖车6上设有用于对注汽锅炉本体泵入软化水的高压泵，优选的为柱塞泵13，高压泵与水式换热器11通过输水管路8相连通，其通过入水管路9与供水系统相连通，高压泵与计量管电连接，高压泵根据计量管测量到的蒸汽量控制泵入软化水的量，而且水介质经过柱塞泵13增压进入锅炉各环节，具体压力一般大于0.4mpa，水的沸点达到140摄氏度，一直到辐射段4才变成蒸汽，以进一步减少对烟气换热器的蒸汽腐蚀。

辐射段4上设有燃烧系统，燃烧系统包括燃烧器5、鼓风机12和与燃烧器5配套的燃气管路10，燃烧器5和鼓风机12适配固定在辐射段4的侧壁上，燃烧器5通过燃气管路10连通供气系统，其中原燃烧器5主机及鼓风机12、配套管路等体积较大，不能满足移动锅炉的安装要求。需对原燃烧器5要进行全面的升级改造，改造后的燃烧器5功率不小于15mw，更换效率高的风机和风道，缩小风道尺寸以满足车载空间、风量的要求。且燃烧系统包括适配改造后燃烧系统的燃气控制系统，燃气控制系统包括安装在控制柜里的燃烧器5控制和复合调节系统，具有如下功能：电子复合调节器，燃气和风门挡板驱动；能清晰地显示燃烧器5运行状态和初始故障值，并与plc实时转化；燃烧器5程序控制系统；燃烧器5报警信息在触摸屏上以中文显示；燃烧器5喉温热电阻温度在触摸屏上显示；燃烧器5小火与大火转换时，能够手动调节。且燃烧控制系统7包括自动点火、运行自动控制和自动停炉控制系统。优选的注汽锅炉的其他结构均由原来体积大，效率低的部分，更换成高效集成结构。

整体注汽采油管网系统包括：各注汽采油井口，分布在油田各片区，通过采油树和井下油管，连通至地下油层。计量间，各注汽采油井口组成一个区块，在区块附近设置计量间，可对周边区块进行计量工作。主管线，计量间和周边各井口通过主管线连接，成为以计量间为中心的辐射状管网。注汽锅炉，注汽时，将注汽锅炉拉运至注汽站点，通过活动管线连接至注汽管汇。水电气站，其呈点式布局，水，电，气，都是注汽时锅炉需要的，水站提供锅炉加热介质，电站为锅炉用电设备提供电能，气站为锅炉提供燃烧能源，其中水、电、气接口都已固定位置，如果移动锅炉要拉走，只是锅炉拉走了，站点还在，这样锅炉的利用率更高。

进一步的，提供一种可移动式注汽锅炉的注汽方法，包括如下步骤：

s1、注汽前区块布置：将各注汽采油井口组成一个区块，在区块附近设置油气计量间，油气计量间和各注汽采油井口通过输油管路连接，成为以油气计量间为中心的辐射状管网；

s2、注汽前管路布置：将各油气计量间通过注汽管路相连通，在位于相邻油气计量间的注汽管路和输油管路上均设有注汽站点；

s3、注汽前锅炉移动：将注汽锅炉内的水放空，将可移动式拖车6移动至需要注汽的油井对应的注汽站点处，将管道补偿管与注汽站点的注汽管汇相连通；

s4、制备蒸汽：开启燃烧系统，使得辐射段4达到相应温度后，开启高压泵，泵入软化水，软化水依次进入水式换热器11的换热内管和烟气换热器，形成汽水混合物后回流至水式换热器11的换热外管，并与换热内管的软换水进行换热，汽水混合物流出换热外管后依次进入辐射段4换热器和过热段2换热器，形成高温高压饱和蒸汽；

s4、注汽：高温高压饱和蒸汽通过计量管注入管网中，通过计量管得到相应的蒸汽量后，关闭高压泵。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。