趙云獻(xiàn)于丹丹牟蕾李煒鄭煒博肖志勇

（1.勝利油田采油工程處；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；3.勝利石油管理局高級(jí)人才培訓(xùn)中心黨校；4.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心）

稠油熱采注汽鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)控技術(shù)研究

趙云獻(xiàn)1于丹丹2牟蕾3李煒4鄭煒博4肖志勇4

（1.勝利油田采油工程處；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；3.勝利石油管理局高級(jí)人才培訓(xùn)中心黨校；4.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心）

通過(guò)對(duì)勝利油田注汽鍋爐的熱平衡測(cè)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出注汽鍋爐的主要熱損失為排煙熱損失和散熱損失，影響熱損失的主要因素為過(guò)剩空氣系數(shù)、排煙溫度和爐體保溫技術(shù)。針對(duì)油田某注汽鍋爐，設(shè)計(jì)了熱效率優(yōu)化方案并進(jìn)行試驗(yàn)，采取了煙氣余熱回收、爐膛盤管清灰清垢、調(diào)節(jié)過(guò)剩空氣系數(shù)、改進(jìn)爐體保溫性能等措施，達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。

注汽鍋爐熱效率排煙溫度過(guò)?？諝庀禂?shù)

引言

注汽鍋爐是制取蒸汽、熱采開發(fā)稠油的關(guān)鍵設(shè)備，在稠油熱采中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是油田熱采中耗能最大的設(shè)備之一。隨著稠油開采規(guī)模的逐年加大，對(duì)注汽鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更高的要求。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，注汽鍋爐所消耗燃料約占采油量的1/3［1］。這就表明，注蒸汽熱力采油是一種高投入、高成本的開發(fā)工藝。目前，勝利油田的注汽鍋爐由于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行狀況普遍下降。測(cè)試結(jié)果顯示，大部分鍋爐的熱效率偏低，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，平均熱效率在86%左右，與美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家的注汽鍋爐相比低4%～7%。注汽鍋爐的熱效率降低，必然導(dǎo)致鍋爐能耗增加，影響稠油熱采的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。因此，優(yōu)化注汽鍋爐的運(yùn)行，降低稠油開采成本、提高熱采效益。

1　油田注汽鍋爐熱損失分析

注汽鍋爐在正常運(yùn)行的條件下，其熱損耗主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。

1.1排煙熱損失

根據(jù)我國(guó)工業(yè)鍋爐排煙標(biāo)準(zhǔn)，容量在6t/h以上的鍋爐，排煙溫度要小于或等于180℃。目前實(shí)際運(yùn)行的注汽鍋爐，排煙溫度一般在140～270℃，有些甚至更高。這樣高溫度的煙氣排出，有一部分熱量會(huì)浪費(fèi)而造成排煙熱損失。排煙熱損失是油田注汽鍋爐各項(xiàng)熱損失中最大的一項(xiàng)，約占鍋爐總熱損失的80%。圖1是勝利油田35臺(tái)注汽鍋爐的排煙熱損失與注汽鍋爐熱效率的關(guān)系。由圖可知，排煙熱損失是影響注汽鍋爐熱效率的最大因素，是提高注汽鍋爐熱效率主要的挖潛方向。

圖1　注汽鍋爐熱效率與排煙熱損失的關(guān)系

影響注汽鍋爐排煙熱損失的主要因素是排煙溫度和排煙體積。排煙熱損失可根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［2］：

q2=（0.5+0.5α）（tpy-t0）（1）

式中：q2為排煙熱損失，J；α為過(guò)?？諝庀禂?shù)；tpy為排煙溫度，℃； t0為排煙處空氣溫度，℃。

注汽鍋爐的排煙溫度越高，排煙體積越大，排煙熱損失就越大，運(yùn)行熱效率下降。一般來(lái)說(shuō)，注汽鍋爐的過(guò)?？諝庀禂?shù)增大就會(huì)導(dǎo)致排煙體積增多，過(guò)?？諝庀禂?shù)每增加0.1，鍋爐運(yùn)行熱效率會(huì)降低1%左右。但是過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)小，燃料不能充分燃燒，鍋爐效率也會(huì)下降，同時(shí)還會(huì)引起環(huán)境污染。圖2為過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)排煙熱損失和鍋爐熱效率的影響。勝利油田35臺(tái)注汽鍋爐目前的平均空氣系數(shù)為1.27，過(guò)?？諝庀禂?shù)的合格率僅為54.3%，鍋爐運(yùn)行存在的主要問(wèn)題為過(guò)?？諝庀禂?shù)超標(biāo)。因此，將過(guò)?？諝庀禂?shù)控制在合理的范圍之內(nèi)，是提高鍋爐熱效率的重要手段。

圖2　過(guò)剩空氣系數(shù)對(duì)排煙熱損失及注汽鍋爐熱效率的影響

排煙溫度每升高12～15℃，注汽鍋爐的排煙熱損失將提高1%［3］。圖3為35臺(tái)注汽鍋爐的排煙溫度對(duì)熱效率的影響。35臺(tái)鍋爐平均排煙溫度為211.6℃，排煙溫度合格率為60.0%。由圖可見(jiàn)，隨著排煙溫度的升高，注汽鍋爐的熱效率雖然由于投產(chǎn)年限等其他因素的影響有所波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明排煙溫度高也是影響注汽鍋爐熱效率的主要因素之一。所以，還應(yīng)盡量設(shè)法降低排煙溫度。有研究發(fā)現(xiàn)，按照目前實(shí)際運(yùn)行的注汽鍋爐排煙溫度，若使其降至標(biāo)準(zhǔn)排煙溫度，大部分將會(huì)降低50℃左右，相應(yīng)熱效率將提高2%～3%。

圖3　排煙溫度對(duì)注汽鍋爐熱效率的影響

1.2爐體散熱損失

在注汽鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐各部分爐墻、管道、鋼架和其他附件等的表面溫度比周圍環(huán)境溫度高，這樣一部分熱量不可避免地以對(duì)流、輻射的方式散失到周圍環(huán)境中，造成鍋爐的散熱損失。勝利油田35臺(tái)鍋爐的平均表面溫度為45.2℃，表面溫度合格率為100%，平均散熱損失1.44%，占鍋爐總損失的12.1%。圖4為不同鍋爐散熱損失與熱效率之間的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，爐體散熱損失是影響注汽鍋爐熱效率的另一敏感因素。散熱損失的大小主要決定于鍋爐散熱表面積的大小、保溫層的性能和厚度以及周圍環(huán)境溫度等因素。

圖4　不同鍋爐的散熱損失與熱效率

1.3未完全燃燒熱損失

未完全燃燒熱損失包括化學(xué)未完全燃燒熱損失和機(jī)械未完全燃燒熱損失。化學(xué)未完全燃燒熱損失主要是由于煙氣中含有殘余的可燃?xì)怏w所造成的。煙氣中可燃?xì)怏w含量越高，化學(xué)未完全燃燒熱損失越大。影響煙氣中可燃?xì)怏w含量的主要因素包括爐內(nèi)過(guò)?？諝庀禂?shù)、爐膛溫度以及爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況等。機(jī)械未完全燃燒熱損失主要是由于鍋爐排灰中含有未燃盡的炭所造成。對(duì)于燃油和燃?xì)忮仩t，一般認(rèn)為此項(xiàng)損失為0。

2　優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)及運(yùn)行方案

通過(guò)分析，若想提高注汽鍋爐的熱效率從而使注汽鍋爐更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，就要從降低排煙熱損失、散熱損失和未完全燃燒熱損失入手。勝利油田目前所用注汽鍋爐均為燃油或燃?xì)忮仩t，平均未完全燃燒熱損失為0，因此主要的提效方向是降低排煙熱損失和散熱損失。結(jié)合油田實(shí)際情況，選定油田某燃油注汽鍋爐進(jìn)行優(yōu)化整改。

2.1優(yōu)化整改措施

2.1.1煙氣余熱回收

對(duì)注汽鍋爐煙氣余熱的回收利用主要有三種途徑：煙氣余熱預(yù)熱空氣、煙氣余熱預(yù)熱燃油、煙氣余熱預(yù)熱給水［4］。由于注汽鍋爐為臥式鍋爐，若采用煙氣余熱預(yù)熱空氣技術(shù)，則需要建立龐大的風(fēng)道系統(tǒng)，占地面積大，檢查維修不便；而若采用煙氣余熱預(yù)熱給水技術(shù)工藝，雖投資小，工藝簡(jiǎn)單，但提高熱效率效果不夠理想；因此經(jīng)對(duì)比，選擇了煙氣余熱預(yù)熱燃油技術(shù)。圖5為系統(tǒng)模型［5］。圖中，余熱利用設(shè)備收集鍋爐的煙氣余熱后，將其中一部分能量Qhs來(lái)預(yù)熱燃油，之后隨注入能Qs一起進(jìn)入鍋爐為其所用。

圖5　煙氣余熱預(yù)熱燃油系統(tǒng)模型

2.1.2爐膛盤管清灰清垢

勝利油田的燃油注汽鍋爐大多采用渣油，由于渣油的組分復(fù)雜，且瀝青含量較高，燃燒后會(huì)有大量灰渣殘留，這些灰渣大部分沉積在爐膛盤管上，隨著時(shí)間的推移逐漸積厚，嚴(yán)重影響受熱面的傳熱，從而導(dǎo)致排煙溫度過(guò)高。因此，對(duì)該加熱爐進(jìn)行爐膛盤管積灰、結(jié)垢等方面的檢查，對(duì)煙垢做取樣分析，確定除垢劑的化學(xué)成分和配方，利用化學(xué)除垢劑配合吹灰裝置清理爐膛的積灰，提高鍋爐的換熱能力和保溫能力，降低排煙溫度。

2.1.3過(guò)?？諝庀禂?shù)的調(diào)節(jié)

油田注汽鍋爐的過(guò)?？諝庀禂?shù)超標(biāo)的主要原因是沒(méi)有對(duì)含氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，鍋爐日常運(yùn)行調(diào)控不合理，而排煙溫度的高低又和過(guò)?？諝庀禂?shù)密切相關(guān)，因此通過(guò)降低過(guò)?？諝庀禂?shù)來(lái)降低排煙熱損失，才能使鍋爐的效率有較大的提高。此次通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板來(lái)調(diào)節(jié)該鍋爐的過(guò)?？諝庀禂?shù)，將過(guò)剩空氣系數(shù)保持在1.15左右，從而提高注汽鍋爐的熱效率。

2.1.4爐體保溫技術(shù)

油田現(xiàn)有鍋爐所采用的保溫結(jié)構(gòu)普遍為硅酸鋁纖維棉噴涂，其表面溫度雖均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但隨著使用年限的增加，現(xiàn)有的保溫材料均出現(xiàn)了不同程度的老化現(xiàn)象，保溫纖維逐漸流失，導(dǎo)致?tīng)t體的散熱損失升高。此外，由于鍋爐內(nèi)上半部分的煙氣溫度較高，導(dǎo)致?tīng)t體上部的表面溫度較下部高，在保溫層厚度相同的條件下，上部散熱損失較大。因此，對(duì)目標(biāo)鍋爐的爐體保溫材料進(jìn)行了檢驗(yàn)和修復(fù)更換，并加厚了上部的保溫材料。

2.2優(yōu)化前后生產(chǎn)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)油田某燃油注汽鍋爐生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整改，實(shí)現(xiàn)了年節(jié)約燃油394.6t。優(yōu)化前后生產(chǎn)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　優(yōu)化前后生產(chǎn)參數(shù)對(duì)比

3　結(jié)論

1）注汽鍋爐的熱損失主要體現(xiàn)在排煙熱損失、散熱損失和未完全燃燒熱損失三方面，對(duì)于燃油注汽鍋爐，未完全燃燒熱損失可認(rèn)為0。

2）影響排煙熱損失的主要因素包括過(guò)?？諝庀禂?shù)的大小和排煙溫度的高低，影響散熱損失的主要因素是爐體的保溫性能。

3）選定勝利油田某燃油注汽鍋爐進(jìn)行提效整改，通過(guò)煙氣余熱回收、爐膛盤管清灰清垢、調(diào)節(jié)過(guò)?？諝庀禂?shù)等手段降低了排煙熱損失，通過(guò)更換加厚保溫材料降低了散熱損失。

4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化方案提高了目標(biāo)燃油注汽鍋爐5.6%的熱效率，在設(shè)計(jì)、運(yùn)行和節(jié)能效果上達(dá)到了預(yù)期的要求。

［1］朱榮東，魏建才，王亦凌，等.通過(guò)優(yōu)化注汽鍋爐霧化噴嘴運(yùn)行參數(shù)提高注汽鍋爐熱效率［J］.機(jī)械，2004（6）：65-67.

［2］劉鐵哲.優(yōu)化最佳過(guò)量空氣系數(shù)提高注汽鍋爐熱效率［J］.石油石化節(jié)能，2014，4（3）：12-13.

［3］施益昌.通過(guò)控制過(guò)量空氣系數(shù)提高注汽鍋爐熱效率［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2004（1）：16-17.

［4］余蘭，宋興海.燃油注汽鍋爐煙氣余熱回收技術(shù)［J］.節(jié)能技術(shù)，2005（1）：85-86.

［5］鄧壽祿.鍋爐煙氣余熱不同用途的熱分析模型及節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法［J］.節(jié)能，2002（12）：10-12.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.001

2014-12-18）

趙云獻(xiàn)，工程師，2003年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，從事稠油熱采研究工作，E-mail：zhaoyunxian078.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)濟(jì)南路258號(hào)，257000。