稠油熱采注汽鍋爐煙氣控制節(jié)能技術(shù)研究

衣懷峰韓春雨馬海斌張犁張建國

（1.新疆油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處；2.新疆油田分公司百口泉采油廠）

稠油熱采注汽鍋爐煙氣控制節(jié)能技術(shù)研究

衣懷峰1韓春雨1馬海斌2張犁1張建國1

（1.新疆油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處；2.新疆油田分公司百口泉采油廠）

為有效降低油田注汽鍋爐排煙熱損失，在降低注汽鍋爐排煙溫度、減少排煙體積方面進行了探索和實踐，形成了適合于固定站式和簡配站式注汽鍋爐煙氣控制的成熟技術(shù)。固定站式油田注汽鍋爐采用SGR型熱管給水換熱器和控制鼓風機送風量，簡配站式油田注汽鍋爐加裝SGR-ⅡK型熱管空氣換熱器和控制引風機送風量等技術(shù)，控制排煙溫度和體積，可有效利用煙氣余熱，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率，節(jié)能減排效果顯著。

稠油熱采 注汽鍋爐 煙氣控制 熱效率

作為國內(nèi)主要稠油生產(chǎn)基地,新疆油田公司稠油產(chǎn)量占其總產(chǎn)量的1/3左右，但稠油生產(chǎn)能耗占總能耗的70%，其中注汽系統(tǒng)能耗又占稠油生產(chǎn)能耗的80%。稠油注汽系統(tǒng)消耗的資源種類主要是燃料（天然氣、原油）、電以及水資源。從能源消耗的環(huán)節(jié)分析主要是注汽站和注汽管網(wǎng)，即蒸汽的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和輸送環(huán)節(jié)，其中注汽鍋爐的熱損失最大，注汽管網(wǎng)次之。根據(jù)中國石油天然氣集團公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心對新疆油田注汽系統(tǒng)能量平衡測試結(jié)果：注汽系統(tǒng)能量有效利用率為85.13%，能量損失達14.87%，而在能量損失構(gòu)成中注汽鍋爐環(huán)節(jié)熱損失占73.64%，注汽管線等熱損失占26.36%。因此對注汽鍋爐開展節(jié)能研究，提高注汽鍋爐熱效率，降低注汽系統(tǒng)能耗，將是節(jié)能工作的重點。

1 注汽鍋爐熱效率分析

油田注汽鍋爐熱損失主要為排煙熱損失（占總熱損失90%～96%）、鍋爐散熱損失（占總熱損失3.5%～6.0%）及燃料不完全燃燒熱損失（占總熱損失0.5%～4.0%），其中排煙熱損失所占份額最大。注汽鍋爐的設(shè)計排煙溫度為：燃油時不超過250℃，燃氣時不超過180℃，而在實際運行中鍋爐排煙溫度（燃氣）均在180～240℃，遠大于設(shè)計要求。減少排煙熱損失是提高注汽鍋爐熱效率的主要途徑。影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度和過剩空氣系數(shù)[1]。

鍋爐熱效率、過量空氣系數(shù)、排煙溫度關(guān)系如圖1所示[2]。

圖1 鍋爐熱效率、過量空氣系數(shù)和排煙溫度間的關(guān)系

由經(jīng)驗公式計算可得：排煙溫度每升高20～25℃，鍋爐熱效率就降低約1個百分點；煙氣中含氧量每增加1個百分點，鍋爐熱效率就降低約0.7個百分點。

2 注汽鍋爐煙氣控制措施

由上述分析可知，注汽鍋爐節(jié)能減排的重點應(yīng)在煙氣控制方面。近年來，新疆油田在降低注汽鍋爐排煙溫度、減少排煙體積方面進行了積極實踐和探索。研究的注汽鍋爐參數(shù)：YZG-22.5/9.5-G1，燃料為天然氣，額定蒸發(fā)量22.5 t，額定溫度307℃，額定蒸汽壓力9.5 MPa，設(shè)計熱效率85%。

2.1 排煙溫度控制

鍋爐排煙溫度控制是指通過利用煙氣余熱來降低鍋爐排煙溫度。煙氣余熱利用方式根據(jù)加熱介質(zhì)的不同可分為三種：①預熱助燃空氣；②預熱燃料；③預熱鍋爐給水[1]。

（4）酒店機電安裝專業(yè)多、專業(yè)性強、整體協(xié)調(diào)質(zhì)量管理難度大：酒店機電工程包括管道工程、通風工程、強電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等，不同專業(yè)關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性極強，并與精裝飾整體協(xié)調(diào)質(zhì)量難度大。

自1994年以來，新疆油田針對固定站式及簡配站式油田注汽鍋爐煙氣余熱的利用進行了大量研究應(yīng)用工作。

2.1.1 固定站式油田注汽鍋爐

固定站式注汽鍋爐安裝在室內(nèi)，利用煙氣余熱加熱鍋爐給水，這種方式與其他兩種方式相比，工藝簡單，投資少，見效快。先后應(yīng)用過光管和針型管換熱器，這兩種換熱器置于注汽鍋爐對流段上，雖然能使鍋爐的排煙溫度有明顯下降，節(jié)能效果顯著，但由于低溫腐蝕問題，使得換熱器壽命只有1～2年。

從2000年開始，應(yīng)用SGR型熱管給水換熱器，采用重力式熱管，利用其高溫端及低溫端分屬不同區(qū)間，解決了低溫腐蝕問題；同時，它還具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好、流動阻力小、適用范圍廣、不易積灰、運行可靠、壽命長等特點。經(jīng)中國石油天然氣集團公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心測試，采用SGR型換熱器進行煙氣回收后，注汽鍋爐煙溫下降了62℃，鍋爐反平衡熱效率從88.7%提高到91.3%，鍋爐給水溫度從10℃提高到30℃。煙氣余熱利用工藝流程見圖2。

近年來，隨著油田采出水回用注汽鍋爐應(yīng)用的規(guī)模越來越大，回用的稠油采出水溫度為55～75℃，如果采用SGR型熱管換熱器，將使給水溫度超過柱塞泵所能承受的工況介質(zhì)溫度（≤65℃）要求[3]，因此這種方式已不再適用，對于此種情況下煙氣余熱利用研究應(yīng)作為新的課題。

2.1.2 簡配站式油田注汽鍋爐

隨著油田的開發(fā)，為減少注汽熱損失，盡量縮小供汽半經(jīng)，更多地采用簡配站的方式安裝油田注汽鍋爐，半露天布置，將燃燒器和柱塞泵放置在室內(nèi)，其余部分裸露在外。這種鍋爐布置方式存在兩個問題：①采用熱管給水換熱器，如果在冬季突然停爐，又無法及時排水可能造成結(jié)凍事故；②為解決冬季鍋爐運行過程中冷空氣直接進入爐膛影響燃燒問題（燃料不完全熱損失增大），專門增設(shè)了蒸汽加熱空氣裝置，浪費了大量的高壓蒸汽資源。

圖2 煙氣余熱利用工藝流程（采用SGR型換熱器）

經(jīng)過研究和現(xiàn)場試驗，將SGR型熱管給水換熱器改為SGR-ⅡK型熱管空氣換熱器，見圖3。利用煙氣余熱預熱助燃空氣方式，熱管空氣換熱器安裝在注汽鍋爐對流段上部，上接煙囪，利用引風機（斜流風機）以克服熱管空氣換熱器本身阻力及冷熱風道阻力，將冷空氣經(jīng)換熱器送至鍋爐鼓風機入口。不僅解決了助燃空氣預熱問題，提高助燃空氣溫度，有效利用了煙氣余熱，同時也實現(xiàn)了節(jié)約大量的高品質(zhì)蒸汽的目的。

圖3 煙氣余熱利用工藝（采用SGR-ⅡK型熱管空氣換熱器）

目前此種換熱器已在新疆油田公司應(yīng)用于簡配站式注汽鍋爐。據(jù)中國石油天然氣集團公司西北節(jié)能監(jiān)測中心監(jiān)測，加裝SGR-ⅡK型熱管空氣換熱器后，鍋爐助燃空氣溫度提高了50℃左右，排煙溫度降低了約40℃，鍋爐熱效率提高了2個百分點，投資回收期1年左右。煙氣余熱回收技術(shù)的推廣將為新疆油田公司每年節(jié)約1 300×104元左右（按目前簡配站鍋爐50臺計）。

2.2 排煙體積控制

傳統(tǒng)注汽鍋爐實際運行中往往過剩空氣系數(shù)較大，過剩空氣系數(shù)在1.3～1.4，過剩氧含量約在4%～6%（較合理的過量空氣系數(shù)應(yīng)在1.05%～1.2%之間，煙氣中的氧含量一般在2%～4%之間），造成注汽鍋爐排入大氣中煙氣量增加，同時帶來熱損失，降低注汽鍋爐熱效率。排煙體積控制技術(shù)的核心是利用氧化鋯探頭監(jiān)測鍋爐煙氣含氧量，并對其進行在線實時控制，實現(xiàn)鍋爐以最佳的燃料空氣比運行，達到節(jié)能減排目的。

2.2.1 固定站式油田注汽鍋爐

鍋爐鼓風機配裝變頻器，用于控制鍋爐鼓風機轉(zhuǎn)速；在鍋爐煙氣出口或煙囪上安裝氧化鋯探頭，檢測鍋爐煙氣含氧量，系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。安裝在煙囪上的氧化鋯探頭，監(jiān)測鍋爐煙氣中的剩余氧含量，然后將所測量信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸入到變頻器PID模塊，通過PID內(nèi)部模塊的計算控制鼓風機的轉(zhuǎn)速，以調(diào)整進入鍋爐的空氣量，形成閉環(huán)控制，使進爐空氣量與煙氣含氧量形成一一對應(yīng)的關(guān)系，確保鍋爐在最佳過剩空氣系數(shù)狀態(tài)下運行，保證鍋爐良好的燃燒工況，降低排煙熱損失。

圖4 煙氣體積控制系統(tǒng)

通過煙氣控制注汽鍋爐熱效率提高了1%～3%，見表1。

表1 某注汽鍋爐煙氣控制改造前后排煙中過剩氧含量與鍋爐熱效率實測數(shù)據(jù)

因控制風機風量是通過控制風機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的，風機轉(zhuǎn)速與風量成一次方關(guān)系，風機轉(zhuǎn)速與風壓成二次方關(guān)系，當轉(zhuǎn)速的變化滿足風量要求的同時風壓成平方關(guān)系變化，導致風量減少時風壓急劇下降，對鍋爐的平穩(wěn)燃燒造成一定的影響。同時這種控制方式與熱管給水換熱器回收余熱的煙氣溫度控制是分開的，無法實現(xiàn)有機的統(tǒng)一。

2.2.2 簡配站式油田注汽鍋爐

針對簡配站式注汽鍋爐煙氣余熱利用方式，對煙氣體積控制方式進行優(yōu)化，將注汽鍋爐過剩空氣量控制點由原鼓風機電動機改為新增設(shè)的引風機電動機，在實現(xiàn)煙氣余熱回收降低排煙溫度的同時，對引風機進行送風量控制從而實現(xiàn)過剩空氣量控制，達到對排煙體積的控制。

氧化鋯氧量分析儀分析測量煙道中過剩氧量實際值，并輸出標準4～20 mA信號到PID調(diào)節(jié)器，與設(shè)定值比較，按設(shè)定好的調(diào)節(jié)規(guī)律輸出4～20 mA標準信號到引風機變頻器，通過引風機變頻器頻率變化使引風機送入鍋爐燃燒器風機入口風量發(fā)生變化，從而使過量空氣維持在最佳值，達到節(jié)能減排的目的。

注汽鍋爐排煙體積控制可很方便地在排煙溫度控制基礎(chǔ)上實施，可有效提高鍋爐熱效率。排煙體積控制技術(shù)推廣后每年可節(jié)約300×104元左右（按目前簡配站鍋爐50臺計），同時可減小大量煙氣外排，投資回收期為1年左右。

3 結(jié)論

（1）無論是固定站注汽鍋爐，還是簡配站式鍋爐上，目前所采用的煙氣控制技術(shù)可有效利用煙氣余熱，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率，運行可靠，投資回收期短，節(jié)能減排效果顯著。

（2）根據(jù)油田注汽鍋爐的布置方式不同須選擇不同的煙氣控制技術(shù)。

（3）針對目前新疆油田公司注汽鍋爐燃料以天然氣為主、含硫量低的特點，可探索冷凝技術(shù)在注汽鍋爐上的應(yīng)用，加裝冷凝熱能回收系統(tǒng)，將煙氣溫度降低至水蒸氣露點以下再排向大氣，回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，進一步提高鍋爐熱效率[4]。

[1]苗振寶,沈和平,李防震,等.注汽鍋爐煙氣余熱利用技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用[J].河南石油,2004(S1):90-91.

[2]武占.油田注汽鍋爐[M].上海:上海交通大學出版社,2008:108-112.

[3]吳偉棟,孫運生,孫國成.稠油熱采注汽鍋爐煙氣余熱回收利用[J].節(jié)能,2009(5):40-41.

[4]廖洪波.一種提高油田注汽鍋爐熱效率方法的可行性研究[J].特種油氣藏,2006(6):98-100.

The Energy-Saving Technology Research of the Injecting Steam Boiler for the Heavy Oil Thermal Recovery

Yi Huaifeng,Han Chunyu and Ma Haibin et al.

Heavy oil recovery，Injecting steam boiler，F(xiàn)ume，Energy-saving

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.02.001

2011-01-28）

衣懷峰，1982年畢業(yè)于華東石油學院，高級工程師，現(xiàn)從事質(zhì)量管理及節(jié)能管理工作，E-mail：Yhf@petrochina.com.cn，地址：新疆克拉瑪依市迎賓路66號新疆油田公司質(zhì)量管理與節(jié)能處，834000。

In order to reduce the lose of heat when injecting steam and discharging the waste fume of the oil field boiler effectively，We have researched and practiced on reducing the temperature of boiler’s steam injection and decreasing the fume volume.Through this method，the matured technique has been formed to suit the boilers in fixed and simple station.We can use the technique to control the temprature and volume of fume’s exhaust by adopting SGR-type water heat exchanger and controling the volume of blast in fixed steam injection blower and by adopting SGR-ⅡK-type air heat exchanger and controling fluid delivery of induced draft fan in simple station.This method can use the excess heat effectively to reduce the temperature of exhaust discharging and to improve the boiler’s heat efficiency and the energy-saving effect is remarkable.