油田注汽鍋爐蒸汽參數的熱力學分析

董珊珊，王為民, 劉廣鑫，陳順江, 張 鑫，賈馮睿，趙桐

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部， 遼寧 撫順 113001； 3. 黑龍江省海林林業局， 黑龍江 牡丹江 157100）

油田注汽鍋爐蒸汽參數的熱力學分析

董珊珊1，王為民1, 劉廣鑫1，陳順江1, 張 鑫2，賈馮睿1，趙桐3

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部， 遼寧 撫順 113001； 3. 黑龍江省海林林業局， 黑龍江 牡丹江 157100）

針對油田注汽鍋爐能耗過高問題，運用“黑箱”模型分析方法，建立了注汽鍋爐火用分析模型，對國內某油田注汽鍋爐進行了火用效率和熱效率計算。分析了蒸汽壓力、蒸汽干度和蒸汽蒸發量3個影響油田注汽鍋爐火用效率和熱效率的影響因素及其變化規律。研究表明，火用效率和熱效率隨蒸汽壓力、蒸汽干度的增大而降低，隨蒸汽蒸發量的增大而升高。其中，蒸汽蒸發量對鍋爐火用效率和熱效率影響最大，蒸汽蒸發量每增大0.2 t/h，鍋爐火用效率增大約為0.30%，熱效率增大約為0.70%。

注汽鍋爐；蒸汽參數；火用效率；熱效率

在我國稠油資源的儲量約占我國石油總儲量的70%，稠油的高效開采和有效利用正逐漸成為油田采油的研究重點。注汽鍋爐是油田熱力開采稠油最重要的設備之一，也是油田主要的耗能設備之一，其能耗約占油田熱力采油系統總能耗的 70%[1]。因此，針對油田注汽鍋爐的熱力研究，特別是關于注汽鍋爐?效率和熱效率的研究，可合理優化油田注汽鍋爐工作參數，對降低油田熱力采油系統能耗具有重要意義。

從熱力學角度出發，?通常作為直接衡量能量做功能力的參數[2]，?效率是指系統輸出?和收益?的比值，?效率的高低直接反應了系統熱能的有效利用率。目前，國內外學者針對?效率進行了大量研究。王志國等通過建立?分析模型，提出了NGL深冷分離裝置的火用分析模型[3]；Rongling Li等運用?分析的特征模型，研究了空氣源熱泵系統的?概念[4]；李亞奇等運用有限時間熱力學法，研究了蝶式集熱器驅動斯特林熱機系統的?效率[5]；馬一太等以熱泵系統的?平衡方程為依據，研究了壓縮式熱泵的?效率的全新定義[6]；陳雁等建立了地埋管地熱源系統的源側熱力分析模型，開展了地埋管地源熱泵系統的?分析[7]。然而鮮有針對注汽鍋爐?效率的研究?；诖耍疚臄M通過建立注汽鍋爐“黑箱”?分析模型，建立了油田注汽鍋爐?效率和熱效率計算方程，并對國內某油田注汽鍋爐?效率和熱效率進行了計算，系統分析了影響注汽鍋爐蒸汽參數對?效率和熱效率的影響因素及其變化規律。以期為降低油田熱力采油系統的能耗提供一定的理論基礎。

1 注汽鍋爐?分析模型的建立

在熱力學研究過程中，通常將研究對象（可包括被研究系統、子系統或者所研究的單個設備）視為由“不透明”的邊界所包圍的體系，通過相關參數計算輸入、輸出體系的能流或物流的?值，從而得出研究對象的的供給?、有效?及損失?，即為黑箱分析[8]。

1.1 注汽鍋爐?分析模型的建立

為了方便了解注汽鍋爐的能量流動及?效率分析，應用黑箱模型如圖1所示，進行注汽鍋爐?效率和熱效率的研究。

圖1 注汽鍋爐系統的黑箱模型Fig.1 The black box model of steam injection boiler system

1.2 注汽鍋爐?效率和熱效率計算方程的建立

注汽鍋爐的供給?為

式中：Exf—注汽鍋爐的燃料?，kJ/h；

Exr—進入注汽鍋爐空氣的物理顯?，kJ/h。

注汽鍋爐子系統有效?為：

式中：Exq—注汽鍋爐產生蒸汽的?，kJ/h；

Exs—進入注汽鍋爐給水的?，kJ/h。

注汽鍋爐子系統?損為：

式中：ExTy— 注汽鍋爐子系統的排煙?損，kJ/h；

Ir—注汽鍋爐燃燒不可逆的內部?損失，kJ/h；

I0—注汽鍋爐其他外部?損失，kJ/h；

Ic—注汽鍋爐傳熱?損失，kJ/h。

注汽鍋爐子系統的?效率為：

注汽鍋爐子系統的能損系數為：

且有

1.3 計算實例

以國內某油田23 t/h注汽鍋爐為例，利用注汽鍋爐主要參數如表1所示，對其進行?效率和熱效率計算，?計算結果詳見表2，熱效率計算結果如詳見表3。

表1 23 t/h注汽鍋爐主要參數表Table 1 Main parameters of 23 t/h steam injection boiler

表2 注汽鍋爐系統?效率計算結果Table 2 Steam injection boiler system exergy efficiency calculation results

表3 注汽鍋爐系統熱效率計算結果Table 3 Steam injection boiler system thermal efficiency calculation results

2 注汽鍋爐?效率和熱效率影響因素分析

2.1 蒸汽壓力對注汽鍋爐?效率和熱效率影響

改變表1中蒸汽壓力大小分別在71～21.5 MPa間變化，其他參數不變，分別計算注汽鍋爐的?效率和熱效率，得出蒸汽壓力與鍋爐?效率、熱效率關系如圖2所示。

圖2 蒸汽壓力與鍋爐?效率和熱效率關系圖Fig.2 Relational graph of the steam pressure and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析圖2可知，整體上注汽鍋爐?效率、熱效率隨蒸汽壓力增大而減小。當蒸汽壓力大于17 MPa小于21 MPa，隨蒸汽壓力增大，鍋爐?效率和熱效率下降速率較大，且壓力每增大 0.5 MPa，?效率降低約 0.23%，熱效率降低約 0.53%；當壓力大于21 MPa后，隨壓力增大，鍋爐的?效率、熱效率幾乎不發生變化。雖然，在理論上，蒸汽壓力越大鍋爐的?效率和熱效率越低，但是由于產出蒸汽需要注入地下需要一定的壓力[9]，因此，在實際生產中蒸汽壓力通常為2 021 MPa。

2.2 蒸汽干度對注汽鍋爐?效率和熱效率影響

利用表 1中數據，分別計算蒸汽干度在55%～100%之間注汽鍋爐的?效率和熱效率，計算結果如圖3所示。

圖3 蒸汽干度與鍋爐?效率和熱效率關系圖Fig.3 Relational graph of the steam dryness and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析圖3可知，蒸汽干度與鍋爐?效率、熱效率之間基本呈線性關系，且隨蒸汽干度的增大，鍋爐?效率和熱效率都逐步降低。經計算可得，蒸汽干度每增大5%，鍋爐?效率降低約0.06%，熱效率下降約0.39%。蒸汽干度作為稠油開采過程中最重要的參數之一[10-11]，當蒸汽干度過低時會嚴重影響稠油開采的效率，因此，油田蒸汽干度通常約為80%。

2.3 蒸汽蒸發量對注汽鍋爐?效率和熱效率的影響

在保持表1中其他參數不變的情況下，分別計算鍋爐蒸發量在23.0～24.8 t/h區間變化時，注汽鍋爐?效率和熱效率，其計算結果如圖4所示。

圖4 蒸汽蒸發量與鍋爐?效率和熱效率關系圖Fig.4 Relational graph of the steam evaporation and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析圖4可知，注汽鍋爐蒸汽蒸發量與鍋爐?效率、熱效率之間基本呈線性關系，且鍋爐?效率、熱效率隨蒸汽蒸發量增大而增大。蒸汽蒸發量每增大0.2 t/h，鍋爐?效率增大約為0.30%，熱效率增大約為 0.70%。由此可見，蒸汽蒸發量越大鍋爐?效率和熱效率越高。通常情況下，鍋爐蒸汽蒸發量大小由生產過程中蒸汽用量決定。

3 結 論

（1）注汽鍋爐蒸汽參數中影響注汽鍋爐?效率和熱效率的主要影響因素為蒸汽壓力蒸汽干度和蒸汽蒸發量3個影響因素。鍋爐?效率和熱效率隨著蒸汽壓力、蒸汽干度的增大而減??；隨著蒸汽蒸發量的增大而增大。

（2）3個影響因素中，蒸汽蒸發量對注汽鍋爐?效率和熱效率影響最大，蒸汽壓力影響次之，蒸汽干度影響最小。

（3）蒸汽蒸發量對注汽鍋爐?效率和熱效率影響最大，蒸汽蒸發量每增大0.2 t/h，鍋爐?效率增大約為0.30%，熱效率增大約為0.70%。

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Thermodynamic Analysis on Steam Parameters of the Steam Boiler

DONG Shan-shan1，WANG Wei-min1，LIU Guang-xin1,CHEN Shun-jiang1，ZHANG Xin2, JIA Feng-rui1，ZHAO Tong3
（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. College of Chemistry,Chemical Engineering and Environment Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China; 3. Heilongjiang Hailin Forestry Bureau , Heilongjiang Mudanjiang 157100，China）

Aiming at the problem of high energy consumption in the steam boiler, exergy analysis model of the steam boiler was established by "black box" model analysis method. Exergy efficiency and thermal efficiency of the steam boiler in a domestic oilfield were calculated. The influence of the steam pressure, the steam quality and the steam evaporation on the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler was investigated. The research results show that, with increasing of the steam pressure and steam quality, the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler decrease; but with increasing of the steam evaporation, the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler increase. Among them, influence of the steam evaporation on the exergy efficiency and thermal efficiency of the boiler is the greatest; when the steam evaporation increases 0.2 t/h,the exergy efficiency of the steam boiler increases by about 0.30%, the thermal efficiency increases by about 0.70%.

Steam boiler; Steam parameters; Exergy efficiency; Thermal efficiency

TK 222

A

1671-0460（2014）11-2339-04

2014-04-03

董珊珊（1989-），女，河北秦皇島人，在讀碩士，遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，研究方向：油田稠油采集效率研究。E-mail：13898321964@163.com。