提高注汽鍋爐排量研究

張國軍，于顯勇，申龍涉，張純靜

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，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兩種方式，其中主要的設備就是注汽鍋爐，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］。基于某采油廠注汽鍋爐效率較低，為了使注汽鍋爐設備的工作潛力得到充分的發揮和應用，通過對當前排量下注汽鍋爐的運行狀態進行調研統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方案，以實現注汽鍋爐運行在更加合理的負荷范圍內，降低單位負荷下的注汽鍋爐運行成本。

1 現有注汽鍋爐運行狀態分析

從2011年5月至11月，分別對某采油廠兩個注汽作業區的31個自然注汽站的50臺注汽鍋爐進行了系統調研。調研內容主要包括以下幾方面:

1.1 鍋爐自然狀態調研統計

按注汽時率來統計(注汽鍋爐在某段時間內實際參加注汽時間與總時間之比為注汽時率)，為了調查各鍋爐的使用頻率、服役年限和鍋爐耗損狀態對提高排量的影響，做如下統計，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計

1.2 注汽鍋爐供水系統的調研統計

通過對供水系統大量調研可知，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，結合變頻器使用可以節約電能［2－3］，在相應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，將現有注汽鍋爐提高現在運行注汽排量的10%是可行的。

圖2 柱塞泵的額定與實際排量的比對統計

1.3 注汽鍋爐供風和燃燒系統調研統計

1.3.1 供風系統調研統計

注汽鍋爐的供風系統中主要設備為空壓機，實際風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的前提下，注汽鍋爐供風系統的現狀完全可以滿足提高10%常用排量運行的要求。

1.3.2 燃料燃燒系統調研統計

現行的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。燃燒系統主要問題集中于執行器響應速度下降，風門聯動不靈活。

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自主研發的注汽鍋爐蒸汽干度在線監測裝置，同時對鍋爐的蒸汽壓力，蒸汽干度，溫度，質量流量等參數進行監測，保證注汽鍋爐提高排量后安全運行，同時實現對蒸汽干度的自動控制，并對試驗結果進行分析。

2.1 實驗過程

在鍋爐運行平穩的狀態下，對鍋爐的運行參數進行記錄，利用蒸汽干度在線監控裝置調節柱塞泵的頻率，提高鍋爐供水量，將排量在現運行的基礎上提高10%，同時嚴格監視鍋爐運行參數的變化，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量的增大而升高。同時燃燒不穩定，火焰形狀不規則，出現燎管現象，造成局部過熱，存在安全隱患。這是由于鍋爐設備使用年限的限制，燃燒器與風門連桿聯動不靈敏，天然氣與空氣的配比達不到最佳值，同時風向影響了火焰形狀，其熱效率大大降低，鍋爐性能不能得到充分發揮，實驗過程中通過氧化鋯探頭監測煙氣含氧量［5－7］，流程如圖3。并結合干度監測裝置對含氧量的控制，這樣就保證了過剩空氣系數控制在1.1～1.2之間［8－9］，裝置根據天然氣量調節風量的大小，同時改變風門的大小及風機葉輪角度，控制火焰形狀在最理想狀態。

圖3 煙氣含氧量控制流程圖

3 提高排量后各參數影響分析

注汽鍋爐提高排量后，系統的各個參數均發生變化，防止由于排量提高造成安全事故的發生，對各參數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計范圍內(現場鍋爐額定壓力為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，將單位時間內的燃氣消耗量除以單位時間內的注汽排量，計算出試驗過程中注汽鍋爐的單耗量，其統計如表1所示。

表1 注汽鍋爐提高排量前后參數

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計，蒸汽排量在現有的基礎上提高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，節約了開采成本，增加了公司經濟效益。從工作效率上，提高排量可以節約注汽時間，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現: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壓也要及時調整，以免出現風壓較小而導致火焰燎管的情況，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壓，可以通過改變風機葉輪的角度或通過添加變頻裝置來提高風壓并控制火焰形狀。

3.4 提高排量后鍋爐其它狀態

提高注汽鍋爐排量的試驗過程中，鍋爐的本體，柱塞泵、變頻器和風機等設備平穩運行，鍋爐控制系統良好運行，整個系統均能安全運行，未發現影響排量提高的不利因素。

4 結論

通過提高排量的調研統計分析與試驗研究得出如下結論:

(1)對現行服役20年以下的注汽鍋爐，在完善注汽鍋爐綜合技術的條件下，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，節能率有所提高，節能率在2.0%左右。

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