一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统
阅读说明：本技术 一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统 (Self-adaptive control supercritical hydrothermal combustion type multi-element thermal fluid generation system ) 是由 王树众 李紫成 李艳辉 赫文强 张凡 孙圣瀚 崔成超 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统,包括：反应器,物料预处理模块,氧化剂供应模块,冷却模块,调温调压模块等,使用反应器、物料预处理模块、氧化剂供应模块和超临界水热燃烧反应模块产生多元热流体,通过调温调压模块调节多元热流体压力和温度,冷却模块保护反应器壁面,实现了安全稳定地生产符合开采需求的多元热流体,为稠油高效开采提供了可行方案。(A supercritical hydrothermal combustion type multi-element thermal fluid generation system with adaptive control comprises: the reactor, the material pretreatment module, the oxidant supply module, the cooling module, the temperature and pressure regulating module and the like are used, the reactor, the material pretreatment module, the oxidant supply module and the supercritical hydrothermal combustion reaction module are used for generating the multi-element thermal fluid, the pressure and the temperature of the multi-element thermal fluid are regulated through the temperature and pressure regulating module, the wall surface of the reactor is protected by the cooling module, the multi-element thermal fluid meeting the exploitation requirement is safely and stably produced, and a feasible scheme is provided for high-efficiency exploitation of thick oil.)
技术领域
本发明属于稠油热采技术领域，特别涉及一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统。
背景技术
稠油，又称重油，指在油层条件下粘度大于50MPa·s，密度大于0.92g/cm3的原油。全球石油储量约9～11万亿桶，其中70％为粘度较大的重油(稠油、超稠油占40％)。目前油田开采重油主要使用蒸汽吞吐、蒸汽驱和蒸汽辅助重力泄油等稠油热采技术，作为热载体的蒸汽被注入地层加热稠油，降低稠油粘度，提高其流动性，便于开采。如今常规蒸汽开采稠油技术对稠油产量的提升趋于缓和，而多元热流体开采稠油是采稠油的进一步发展。多元热流体开采稠油技术以多元热流体(CO2、H2O、N2等)作为热载体，通过热力降粘，气体溶解，补充地层能量等作用极大地提高稠油开采效率。
自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统结合超临界水热燃烧技术及多元热流体稠油热采技术，为高效开采稠油提供了解决方案。超临界水热燃烧是利用超临界水(Tc＝374.15℃，Pc＝22.12MPa)独特的理化性质来实现有机物的高效燃烧。与普通的液态水相比，超临界水密度、黏度、离子积均明显下降，扩散系数较高；水分子间的氢键减弱；介电常数变得极小，大致相当于标准状态下一般有机溶剂的介电常数。因此，在超临界水体系中，氧气、空气、过氧化氢、水及绝大多数有机物可以任意比例互溶，气液相界面消失，超临界水氧化体系成为均相反应体系，消除了相间的传质传热阻力，并且水热火焰局部温度＞1000℃，从而反应速度大幅上升，可在毫秒内将有机物甚至一些难降解物质彻底氧化降解为CO2、H2O、N2等多元热流体。然而超临界水热燃烧产生的多元热流体热力学参数通常为25MPa，600-700℃左右，过高的温度和压力可能会窜气现象发生，大大降低油井采油能力。因此，需要对发生系统进行设计，使产生的多元热流体的热力学参数(温度和压力)能够进行自动调整，保证其满足生产需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，产生符合生产要求的多元热流体，本发明的目的在于提供一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，使用物料预处理模块、氧化剂供应模块和超临界水热燃烧反应模块产生多元热流体，通过调温调压模块调节多元热流体压力和温度，冷却模块保护反应器壁面，实现了安全稳定地生产符合开采需求的多元热流体，为稠油高效开采提供了可行方案。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，包括：
反应器9，进行超临界水热燃烧反应，其内部分为上方的燃烧室和下方的混合室，燃烧室与混合室之间通过喷孔连通，燃烧室保持超临界水热燃烧反应所需压力与温度，如25MPa，400℃，并保持稳态，其上方连通竖向通道，竖向通道上部连接一级燃料入口10，中下部连接氧化剂入口12，燃烧室还连接二级燃料入口11，且二级燃料入口11位于竖向通道的底端位置，混合室的底部为多元热流体出口16；
物料预处理模块，将超临界水热燃烧反应所需物料升压至超临界压力如25MPa，预热至亚临界温度如300℃，然后分为两路，分别送至一级燃料入口10和二级燃料入口11，其中送至二级燃料入口11的流量远远大于送至一级燃料入口10的流量；
氧化剂供应模块，与所述氧化剂入口12连接，为临界水热燃烧反应提供氧化剂；
冷却模块，包括高压水供给出口22，高压水供给出口22分为两路，一路通过带有电动调节阀21的管路连接混合室上的掺混水入口15，另一路连接燃烧室水冷壁的冷壁水入口14；
调温调压模块，包括依次设置在多元热流体出口管路上的高温高压背压阀17、高温高压缓冲罐18、高温高压调压阀19、高温压力显示控制仪表24及高温温度显示控制仪表20，所述高温高压背压阀17调节反应器9压力保持超临界反应压力如25MPa，并维持恒压，高温高压调压阀19与高温压力显示控制仪表24联锁，调节多元热流体至生产压力如4MPa，高温温度显示控制仪表20与电动调节阀21联锁，调节掺混水流量，维持多元热流体温度生产温度，如251℃。
在一个实施例中，所述一级燃料入口10和氧化剂入口12均为水平通道，与竖向通道垂直。
在一个实施例中，所述竖向通道的底端为阔口状，二级燃料入口11为斜向通道，连接于阔口部分的侧面上。
在一个实施例中，所述燃烧室底部为锥形结构，喷孔设置在锥形结构的底部。
在一个实施例中，所述超临界水热燃烧反应所需物料主要为有机物燃料，并可掺入软化水，所述物料预处理模块包括有机物燃料储罐1、软化水储罐2、物料泵3及预热器8，所述有机物燃料储罐1和软化水储罐2的出口均连接物料泵3的入口，物料泵3的出口接预热器8的入口，预热器8的出口分为两路，分别连接一级燃料入口10和二级燃料入口11。
在一个实施例中，所述物料泵3的出口连接带有高温高压缓冲罐23的旁路。
在一个实施例中，所述氧化剂供应模块包括依次连接的低温液氧储罐4、液氧泵5、液氧气化器6及氧气缓冲罐7，氧气缓冲罐7的出口连接氧化剂入口12。
在一个实施例中，所述燃烧室水冷壁的冷壁水入口14位于下方，燃烧室水冷壁的冷壁水出口13位于上方，冷壁水出口13在燃烧室外部回接掺混水入口15。
在一个实施例中，所述一级燃料入口10送入一级燃料，所述二级燃料入口11送入二级燃料，所述一级燃料和二级燃料成分一致，均为有机物燃料储罐1中的有机物燃料，所述二级燃料与一级燃料质量流量之比在2-4范围内，所述氧化剂入口12送入氧化剂，所述氧化剂对应的氧化系数在1.0-1.5范围内，例如氧气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、燃料分级入射，稳定产生水热火焰：预热后的燃料分为两路，分别从一级燃料入口和二级燃料入口进入反应器，其中一级燃料流量小于二级燃料流量。一级燃料沿轴向向下流动时，加热氧气，减小点火延迟，最终一级燃料与氧气在反应器内混合，自发迅速地产生稳定的水热火焰，并点燃大流量二级燃料。产生稳定水热火焰后，可逐步降低预热器功率，维持物料温度在熄火温度以上。
2、产生多元热流体，提高开采稠油效率：本系统产生含有CO2、H2O、N2等成分的多元热流体，相比于普通水蒸气，具有热力降粘，气体溶解，补充地层能量等作用，可极大地提高稠油开采效率。
3、冷却水逆向流经冷却壁，避免反应器壁面损坏：冷却模块中的高压水供给出口与反应器下部冷壁水入口连通，冷壁水自下而上流动，从冷壁水出口流出，吸收反应器中燃烧产生的热量，保证反应器壁面温度在可用范围内，防止壁面超温烧毁。
4、设立调温调压模块，灵活调控温度压力：调温调压模块中高温高压背压阀，保持反应器内压力维持在超临界水热燃烧反应所需的25MPa左右，高温高压调压阀与高温压力显示控制仪表联锁，降低多元热流体压力至目标压力，如生产压力16MPa、4MPa等；高温温度显示控制仪表与电动调节阀联锁，多元热流体偏离设定温度时可自动调节掺混水流量，从而获得目标多元热流体温度，如生产温度390℃、251℃等。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
1-有机物燃料储罐；2-软化水储罐；3-物料泵；4-低温液氧储罐；5-液氧泵；6-液氧气化器；7-氧气缓冲罐8-预热器；9-反应器10-一级燃料入口；11-二级燃料入口；12-氧化剂入口；13-冷壁水出口；14-冷壁水入口；15-掺混水入口；16-多元热流体出口；17-高温高压背压阀；18-高温高压缓冲罐；19-高温高压调压阀；20-高温温度显示控制仪表；21-电动调节阀；22-高压水供给出口；23-高温高压缓冲罐；24-高温压力显示控制仪表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种自适应调控的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，主要包括反应器9、物料预处理模块、氧化剂供应模块、调温调压模块、冷却模块。通过超临界水热燃烧技术产生多元热流体，调温调压模块维持超临界水热燃烧反应器内保压力稳定、获得所需温度与压力的多元热流体，满足稠油开采的生产工艺要求。系统运行过程中，由水热火焰提供产生多元热流体所需能量，冷却模块保护反应器壁面，调温调压模块实时调节多元热流体温度压力，从而安全，稳定，经济，高效地产生符合多元热流体开采稠油技术要求的多元热流体。
其中反应器9是进行超临界水热燃烧反应的装置，其内部空间主要为燃烧室和混合室，燃烧室位于上方，混合室位于下方，燃烧室底部可呈锥形构造，并在该构造上设置喷孔，以连通混合室。示例地，喷孔可设置在锥底。在进行反应之前和反应过程中，燃烧室须保持超临界水热燃烧反应所需压力与温度，如25MPa，400℃，并保持稳态。燃烧室的顶部连通有一个竖向通道，竖向通道的顶部封闭，上部侧面连接一级燃料入口10，中下部侧面连接氧化剂入口12，燃烧室还连接二级燃料入口11，且二级燃料入口11位于竖向通道的底端位置，混合室的底部为多元热流体出口16。示例地，一级燃料入口10和氧化剂入口12均为水平通道，从而与竖向通道垂直。示例地，竖向通道的底端为阔口状，二级燃料入口11为斜向通道，连接于阔口部分的侧面上。
物料预处理模块主要是向反应器9供应超临界水热燃烧反应所需物料，该物料主要为有机物燃料，并可掺入软化水，但也可直接采用有机物燃料、柴油、原油、经简单处理后的含油废水等。示例地，物料预处理模块包括有机物燃料储罐1、软化水储罐2、物料泵3及预热器8，有机物燃料储罐1和软化水储罐2的出口均连接物料泵3的入口，物料泵3的出口接预热器8的入口，预热器8的出口分为两路，分别连接一级燃料入口10和二级燃料入口11。具体地，有机物燃料储罐1外设储冰槽保证罐内温度处于0℃左右，有机物燃料储罐1和软化水储罐2通过管道三通连接，物料在管道内混合，通过物料泵3加压至超临界压力如25MPa，预热器8则预热至亚临界温度如300℃，然后分为两路，分别送至一级燃料入口10和二级燃料入口11，即，一级燃料入口10送入一级燃料，二级燃料入口11送入二级燃料，一级燃料和二级燃料成分一致，均为有机物燃料储罐1中的有机物燃料。其中送至二级燃料入口11的流量远远大于送至一级燃料入口10的流量，示例地，二级燃料与一级燃料质量流量之比在2-4范围内。示例地，物料泵3的出口连接带有高温高压缓冲罐23的旁路，高温高压缓冲罐23可消除管道中脉动。
氧化剂供应模块主要是为临界水热燃烧反应提供氧化剂，示例地，其包括依次连接的低温液氧储罐4、液氧泵5、液氧气化器6及氧气缓冲罐7，氧气缓冲罐7的出口连接氧化剂入口12。液氧加压后接通液氧气化器6进行气化，氧气缓冲罐7消除管内脉动，通过氧化剂入口12进入反应器9。本发明中，氧化剂对应的氧化系数在1.0-1.5范围内，例如氧气。
冷却模块，包括高压水供给出口22，高压水供给出口22分为两路，一路通过带有电动调节阀21的管路连接混合室上的掺混水入口15，另一路连接燃烧室水冷壁的冷壁水入口14。示例地，燃烧室水冷壁的冷壁水入口14位于下方，燃烧室水冷壁的冷壁水出口13位于上方，冷壁水出口13在燃烧室外部回接掺混水入口15。
调温调压模块，包括依次设置在多元热流体出口管路上的高温高压背压阀17、高温高压缓冲罐18、高温高压调压阀19、高温压力显示控制仪表24及高温温度显示控制仪表20，高温高压背压阀17调节反应器9压力保持超临界反应压力如25MPa，并维持恒压，高温高压缓冲罐18消除管道内脉动，高温高压调压阀19与高温压力显示控制仪表24联锁，调节多元热流体至生产压力如4MPa，高温温度显示控制仪表20与电动调节阀21联锁，调节掺混水流量，维持多元热流体温度生产温度，如251℃。
本发明的原理及过程：
系统运行时，反应器9保持超临界水燃烧反应压力25MPa，反应温度400℃，此时物料泵3入口处为额定浓度的有机物燃料溶液，经物料泵3和预热器8升压至超临界水热燃烧反应压力25MPa，升温至亚临界温度300℃后分为两路，分别由一级燃料入口10和二级燃料入口11进入反应器9，其中二级燃料入口11处质量流量与一级燃料入口10处质量流量之比为2-4。低温液氧由低温液氧储罐4流入液氧泵5加压，在液氧气化器6中气化，以氧气缓冲罐7消除管道内脉动，通过氧化剂入口12进入反应器9，沿轴向向下流动时被一级燃料加热，然后与一级燃料混合着火，并引燃大流量二级燃料。超临界水热燃烧过程中，高压水供给出口22分别连通冷壁水入口14和掺混水入口15，冷壁水与多元热流呈逆向流动，与反应器壁面对流换热，降低反应器壁面温度至400℃以下，避免超温烧毁；掺混水在多元热流体出口16处与多元热流体掺混，降低多元热流体流体温度至251℃。降温后的多元热流体依次流经高温高压背压阀17、高温高压缓冲罐18、高温高压调压阀19，通过高温高压调压阀19与高温压力显示控制仪表24联锁降压至生产压力4MPa，达到生产工艺要求。高温温度显示控制仪表20与电动调节阀21联锁，实时调节掺混水流量，维持多元热流体温度生产温度251℃。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。