張國軍，于顯勇，申龍涉，張純靜

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順113001;2.遼河油田分公司錦州采油廠，遼寧 錦州121209)

稠油開采主要有蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)兩種方式，其中主要的設(shè)備就是注汽鍋爐，其運行成本是熱注開采的主要部分，提高鍋爐的效率，降低注汽鍋爐的運行成本具有重要意義［1］?；谀巢捎蛷S注汽鍋爐效率較低，為了使注汽鍋爐設(shè)備的工作潛力得到充分的發(fā)揮和應(yīng)用，通過對當前排量下注汽鍋爐的運行狀態(tài)進行調(diào)研統(tǒng)計分析和提高排量試驗研究，尋找制約提高排量的影響因素，并提出提高排量的可行性分析和提高排量的綜合技術(shù)方案，以實現(xiàn)注汽鍋爐運行在更加合理的負荷范圍內(nèi)，降低單位負荷下的注汽鍋爐運行成本。

1 現(xiàn)有注汽鍋爐運行狀態(tài)分析

從2011年5月至11月，分別對某采油廠兩個注汽作業(yè)區(qū)的31個自然注汽站的50臺注汽鍋爐進行了系統(tǒng)調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容主要包括以下幾方面:

1.1 鍋爐自然狀態(tài)調(diào)研統(tǒng)計

按注汽時率來統(tǒng)計(注汽鍋爐在某段時間內(nèi)實際參加注汽時間與總時間之比為注汽時率)，為了調(diào)查各鍋爐的使用頻率、服役年限和鍋爐耗損狀態(tài)對提高排量的影響，做如下統(tǒng)計，將2011年上半年所有鍋爐的注汽時率列出，其中注汽時率最低的為0，最高的為45.42%，采用相對比較的方法，取注汽時率大于24%的鍋爐作為相對使用比效頻繁的鍋爐作統(tǒng)計，注汽時率大于24%的鍋爐總計有35臺，如圖1所示，從注汽鍋爐注汽時率和使用年限上可以看出，相對使用頻率高的注汽鍋爐的服役年限在20年以下的注汽鍋爐占總數(shù)的69%，在所有注汽鍋爐中所占的比例很高，所以從鍋爐的總體使用耗損上，該部分注汽鍋爐還有很大提高排量的空間。對于提高熱注效率，降低注汽成本有很大實際操作性。

圖1 注汽鍋爐按注汽時率和使用年限統(tǒng)計

1.2 注汽鍋爐供水系統(tǒng)的調(diào)研統(tǒng)計

通過對供水系統(tǒng)大量調(diào)研可知，柱塞泵的額定排量，常用排量如圖2所示，所有柱塞泵均采用變頻器控制，結(jié)合變頻器使用可以節(jié)約電能［2－3］，在相應(yīng)的注汽排量量程上控制頻率為0～60 Hz，實際變頻器的常用頻率在35 Hz左右。提高現(xiàn)運行排量的10%后，23 t/h注汽鍋爐的注汽排量提高至額定排量的73%，11.2 t/h注汽鍋爐的注汽排量提高至額定排量的59%，9.2 t/h注汽鍋爐的注汽排量提高至額定排量的50%［4］。所以，從注汽鍋爐柱塞泵的供水能力和泵的變頻控制能力上分析，將現(xiàn)有注汽鍋爐提高現(xiàn)在運行注汽排量的10%是可行的。

圖2 柱塞泵的額定與實際排量的比對統(tǒng)計

1.3 注汽鍋爐供風(fēng)和燃燒系統(tǒng)調(diào)研統(tǒng)計

1.3.1 供風(fēng)系統(tǒng)調(diào)研統(tǒng)計

注汽鍋爐的供風(fēng)系統(tǒng)中主要設(shè)備為空壓機，實際風(fēng)機的運行排量大多為額定排量的45%～65%之間。所以，在加強運行巡檢和定期保養(yǎng)的前提下，注汽鍋爐供風(fēng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀完全可以滿足提高10%常用排量運行的要求。

1.3.2 燃料燃燒系統(tǒng)調(diào)研統(tǒng)計

現(xiàn)行的50臺注汽鍋爐的燃燒器主要有兩種類型，其中48臺為美國的北美，2臺為德國的扎克。燃燒器多為原油和天然氣兩用。燃燒系統(tǒng)主要問題集中于執(zhí)行器響應(yīng)速度下降，風(fēng)門聯(lián)動不靈活。

2 提高注汽排量的試驗研究

為了解提高常用排量前后注汽鍋爐運行狀態(tài)變化，以及有無影響提高排量的影響因素。于2011年11月20日至29日，在一臺鍋爐上進行了提高正常注汽排量10%的試驗，實驗過程中采用遼寧石油化工大學(xué)自主研發(fā)的注汽鍋爐蒸汽干度在線監(jiān)測裝置，同時對鍋爐的蒸汽壓力，蒸汽干度，溫度，質(zhì)量流量等參數(shù)進行監(jiān)測，保證注汽鍋爐提高排量后安全運行，同時實現(xiàn)對蒸汽干度的自動控制，并對試驗結(jié)果進行分析。

2.1 實驗過程

在鍋爐運行平穩(wěn)的狀態(tài)下，對鍋爐的運行參數(shù)進行記錄，利用蒸汽干度在線監(jiān)控裝置調(diào)節(jié)柱塞泵的頻率，提高鍋爐供水量，將排量在現(xiàn)運行的基礎(chǔ)上提高10%，同時嚴格監(jiān)視鍋爐運行參數(shù)的變化，注意鍋爐提高排量后的變化情況。

隨著天然氣量的增加，蒸汽干度隨之增加，在干度未達到標準值時，蒸汽干度不再隨天然氣供應(yīng)量的增大而升高。同時燃燒不穩(wěn)定，火焰形狀不規(guī)則，出現(xiàn)燎管現(xiàn)象，造成局部過熱，存在安全隱患。這是由于鍋爐設(shè)備使用年限的限制，燃燒器與風(fēng)門連桿聯(lián)動不靈敏，天然氣與空氣的配比達不到最佳值，同時風(fēng)向影響了火焰形狀，其熱效率大大降低，鍋爐性能不能得到充分發(fā)揮，實驗過程中通過氧化鋯探頭監(jiān)測煙氣含氧量［5－7］，流程如圖3。并結(jié)合干度監(jiān)測裝置對含氧量的控制，這樣就保證了過?？諝庀禂?shù)控制在1.1～1.2之間［8－9］，裝置根據(jù)天然氣量調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，同時改變風(fēng)門的大小及風(fēng)機葉輪角度，控制火焰形狀在最理想狀態(tài)。

圖3 煙氣含氧量控制流程圖

3 提高排量后各參數(shù)影響分析

注汽鍋爐提高排量后，系統(tǒng)的各個參數(shù)均發(fā)生變化，防止由于排量提高造成安全事故的發(fā)生，對各參數(shù)的變化情況進行分析。

3.1 提高排量后對井壓的影響分析

如圖4鍋爐在提高排量前運行時蒸汽壓力在14.5 MPa左右，并且比較穩(wěn)定;而當鍋爐提高排量以后，壓力也隨之上升到16 MPa左右。鍋爐出口蒸汽壓力的升高值仍在注汽鍋爐設(shè)計范圍內(nèi)(現(xiàn)場鍋爐額定壓力為16.5 MPa)，所以提高排量后蒸汽壓力的升高不會給鍋爐正常運行帶來影響。

圖4 提高排量前后壓力變化

值得注意的是與提高排量前相比，蒸汽壓力的升高加大了鍋爐、泵閥以及管線的壓力負荷，容易加大機械磨損甚至嚴重事故的可能性。所以在提高鍋爐排量的同時必須及時控制壓力，并定期對爐管壁厚和管線各部分進行安全檢測。

3.2 提高排量后鍋爐單耗的分析

提高常用排量10%后，將單位時間內(nèi)的燃氣消耗量除以單位時間內(nèi)的注汽排量，計算出試驗過程中注汽鍋爐的單耗量，其統(tǒng)計如表1所示。

表1 注汽鍋爐提高排量前后參數(shù)

如圖5所示，取提高排量前后蒸汽干度相同的注汽鍋爐單耗做統(tǒng)計，蒸汽排量在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高10%以后，蒸汽單耗明顯下降，提高排量前平均每噸蒸汽需要的天然氣為87.64 m3;提高排量后平均每噸蒸汽消耗的天然氣為85.12 m3，平均每噸蒸汽消耗的天然氣降低2.52 m3，節(jié)能率在2.8%左右［10－12］。

圖5 注汽鍋爐提高排量前后單耗比對

從上述分析看到，提高注汽排量后有效利用了注汽鍋爐的額定工作能力，鍋爐熱效率也明顯提高，節(jié)約了開采成本，增加了公司經(jīng)濟效益。從工作效率上，提高排量可以節(jié)約注汽時間，可以有效的提高單位的工作效率。

3.3 提高排量后燃燒狀態(tài)的分析

通過對比提高鍋爐排量前、后噴嘴火焰的形狀可以發(fā)現(xiàn):當鍋爐在較低排量運行時火焰成集束狀如圖6所示，火焰比較集中，使得爐管受熱均勻;當排量提高以后火焰成分散狀如圖7所示，這樣部分火焰就可以直接燎到爐管，使得爐管受熱不均勻［13］，容易造成爆管。

圖6 注汽提高排量前火焰形狀

圖7 注氣提高排量后火焰形狀

造成火焰形狀變化的主要原因為風(fēng)壓過小所致。所以，當鍋爐提高排量后對天然氣的消耗量也隨之增加，這時對進入燃燒器的風(fēng)壓也要及時調(diào)整，以免出現(xiàn)風(fēng)壓較小而導(dǎo)致火焰燎管的情況，這樣容易造成鍋爐爆管事故，為避免這一情況，就要提高進入燃燒器的風(fēng)壓，可以通過改變風(fēng)機葉輪的角度或通過添加變頻裝置來提高風(fēng)壓并控制火焰形狀。

3.4 提高排量后鍋爐其它狀態(tài)

提高注汽鍋爐排量的試驗過程中，鍋爐的本體，柱塞泵、變頻器和風(fēng)機等設(shè)備平穩(wěn)運行，鍋爐控制系統(tǒng)良好運行，整個系統(tǒng)均能安全運行，未發(fā)現(xiàn)影響排量提高的不利因素。

4 結(jié)論

通過提高排量的調(diào)研統(tǒng)計分析與試驗研究得出如下結(jié)論:

(1)對現(xiàn)行服役20年以下的注汽鍋爐，在完善注汽鍋爐綜合技術(shù)的條件下，可以提高排量10%;

(2)當前井壓低于14 MPa以下的井口可以提高排量10%;

(3)提高排量后注汽單耗明顯下降，節(jié)能率有所提高，節(jié)能率在2.0%左右。

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