油田注汽鍋爐系統節能降耗改造前景分析

劉波（遼河油田公司金馬油田開發公司）

熱力采油技術是將飽和濕蒸汽注入稠油油層以降低其黏度，從而依靠機械舉升方式將稠油輸送至地面的一種開采方法，主要分為蒸汽吞吐和蒸汽驅動兩種方式，其核心設備為注汽鍋爐。現階段油田注汽鍋爐主要以原油或天然氣為燃料，屬油田勘探開發中高耗能高成本的生產設備之一。以遼河油田為例，大多數的注汽鍋爐使用壽命已超過10年，甚至部分已經超過20年。操作控制系統的滯后和設備的老化導致注汽鍋爐無法達到出廠時設計熱效率的要求，所以，降低注汽鍋爐的燃料損耗，優化注汽鍋爐燃料結構，減少注汽成本在稠油熱采損耗總成本中的比重，是未來重質油高效勘探開發的必然方向[1]。

1 注汽鍋爐燃料與熱損失分析

以原油為燃料時燃料損耗大，從稠油操作成本構成分析，燃料費約占30%～40%。燃油的主要缺點是導致爐管特別是對流段積灰腐蝕嚴重，爐管積灰腐蝕主要有兩方面危害：首先，積灰嚴重阻礙煙氣沖刷翅片管，降低傳熱效果，制約注汽鍋爐本身的熱效率；其次，增加鍋爐的維護成本，需定期清灰吹灰和更換爐管，否則注汽鍋爐運行的安全性和熱效率都無法保障[2]。

以天然氣為燃料時，額定蒸發量為23t/h的燃氣消耗量約為1200m3/h，現階段天然氣價格持續上漲，且天然氣供給城市民用的比重持續走高，為響應國家政策并保持城市清潔能源的使用，工業天然氣消耗也受到一定制約。

注汽鍋爐的熱損失主要包括排煙熱損失、機械不完全燃燒損失、化學不完全燃燒損失和鍋爐向外環境散熱損失，其熱損失占鍋爐總損失的80%。注汽鍋爐設計排煙溫度燃氣時不高于180℃，燃油時不高于240℃。在現階段的實際生產過程中，鍋爐的排煙溫度無法達到這個要求，導致排煙熱損失超出設計要求，更多的燃料發熱量排放到大氣中，造成能源的浪費和大氣的污染[3]。

2 改造方案研究和分析

針對注汽鍋爐系統在實際生產中高能耗的現狀，綜合研究稠油熱采注汽系統所遭遇的瓶頸，并結合對鍋爐流程燃料結構進行挖潛增效分析，總結出注汽鍋爐節能降耗的方法，即：利用熱管技術將鍋爐尾氣余熱回收利用；優化注汽鍋爐燃料結構；利用新工藝清除積灰積垢。

2.1 利用熱管技術回收煙氣余熱加熱鍋爐給水

燃油時注汽鍋爐平均排煙溫度能達到280～320℃，燃氣時平均排煙溫度約為200～240℃。注汽鍋爐煙氣余熱在原理上可以用余熱伴熱燃料油，助燃空氣和給水。燃油工藝流程中油側換熱系數較低且流動性差，對伴熱介質的溫度和品質要求較高，燃油流程架高至對流段高度對供油泵和管線的要求都很高，易造成油壓不足和油路凝堵的現象；用煙氣余熱伴熱助燃空氣在原理上可以提高送風的熱焓值，有助于提高爐膛溫度和促進燃料充分燃燒，但注汽鍋爐要求瓦口溫度不能過高，以免過熱損壞瓦口附近的儀表設備、線路和鼓風膠囊[4]。

經過綜合分析，用回收熱管煙氣余熱伴熱鍋爐給水是最優選擇。煙氣余熱預熱給水方式工藝簡單，投資少、見效快，對降低鍋爐排煙熱損失、提高熱效率有明顯作用。鍋爐給水加熱后溫度約為50～60℃，處于水腐蝕金屬最嚴重的溫度段，所以對于熱管材質的篩選也尤為重要。另外，經加熱后的給水不能超過柱塞泵允許的溫度上限，以免損壞泵配件，所以開發耐高溫的柱塞泵閥片、水封等配件也是非常必要的。

軟化水經生水泵增壓后進入熱管換熱器進行換熱，之后輸送到柱塞泵，另設一旁通直接進入柱塞泵，以便于通過調節受熱給水流量來控制柱塞泵前給水溫度，泵前設溫度表，便于監測給水溫度，以免溫度過高損壞泵體配件。熱管換熱器中煙氣橫向沖刷給水管線，溫度降低。據分析，注汽鍋爐排煙溫度每降低20℃，熱效率提高1%，應用此工藝流程進行余熱回收可明顯降低排煙溫度，減少熱損失[5]。

2.2 優化注汽鍋爐燃料結構

注汽鍋爐運行時消耗大量的原油或天然氣，最好的改變燃料高消耗、高成本的方法就是用水煤漿代替其他燃料。

用水煤漿作為注汽鍋爐燃料主要面臨以下技術問題：

1）如何完成水煤漿的生產和運輸過程。煤是一種價格較低廉且污染嚴重的燃料，將煤合理有效地清潔利用主要取決于設備工藝，所以應在完善工藝流程的同時盡量降低設備改造成本。

2）如何完善點火和控制系統。燃燒水煤漿仍需保留引燃系統，通過燃料氣作為引燃水煤漿的火源，水煤漿較燃油不易點燃，需增大引燃氣壓力和流量來完成點火過程；為保證水煤漿的燃燒達到最佳效果，須對爐膛壓力、煙氣含氧量和供漿系統實現自動控制，同時，與原鍋爐的控制系統保持一致，使鍋爐能夠在一個最佳的狀態下運行[6]。

3）如何改良吹灰排灰系統。以水煤漿為燃料的積灰量較大，需采用有效、省時、成本低廉的除灰方式將灰渣排出，否則積灰過多會嚴重影響傳熱效果。

2.3 開發新工藝清除積灰積垢

注汽鍋爐爐管特別是對流段翅片管部分，管距較小，翅片管肋片間距較小，煙氣溫度恰好處在易結垢積灰的范圍，此處積灰最多最密實。對流段積灰不僅阻礙煙氣流通，而且影響工質與煙氣的對流換熱，使煙氣溫度明顯升高。傳統除灰方式是通過一定壓力空氣或水來沖刷爐管表面，這樣只能清除表面酥松的積灰，無法清除累積已久的煙垢，所以必須探究有效的化學藥劑清洗沖刷翅片管，在不腐蝕爐管材質的前提下將灰垢徹底清除[7-8]。

通過現場監測和分析，對燃油、煙垢做取樣分析。針對煙垢的組成和特點進行化學分析，確定除垢劑的化學性能與成分，從而研發有效的除垢試劑。研制除垢劑的關鍵是如何使附在受熱表面上的煙垢在它的作用下變得像積灰一樣松脆、易脫落。通過試驗選出理想有效的化學藥劑，使其在一定溫度或其他條件作用下與煙垢發生化學反應，最后達到除垢、清垢、防垢的目的。

3 結論

1）利用熱管換熱器回收注汽鍋爐煙氣余熱并加熱泵前給水，可以降低排煙溫度，減少熱損失，是注汽鍋爐節能降耗的有效途徑。

2）利用價格低廉的能源和設備改造簡捷的工藝應用于注汽鍋爐，是能源形勢愈發嚴峻條件下的必然選擇。

3）開發新工藝，改變傳統除灰清灰方法，也是提高注汽鍋爐熱效率的有效方式。

[1]張奎,林森木,王樹靜.中國能源投資導覽[M].北京:中國言實出版社,2003：1-5.

[2]劉繼和,孫素鳳.注汽鍋爐[M].3版.北京：石油工業出版社,2007：6-10.

[3]欒海波,胡順銘.油田注汽鍋爐煙氣余熱利用與低碳減排[J].油氣田環境保護,2012,22(4)：4-5.

[4]任國利,范新霞,王思玉.熱管技術在油田注汽鍋爐上的研究與應用[J].承德石油高等專科學校學報,2001,3(1)：8-10.

[5]馬強.油田注汽鍋爐煙氣余熱利用與低碳減排[C].//低碳經濟與石油石化未來論文集.沈陽:遼寧省石油石化學會,2011:153-155.

[6]周建平.稠油熱采注汽鍋爐節能減排措施實踐[J].油氣田環境保護,2011,21(2)：22-25.

[7]方云.稠油熱采鍋爐節能降耗技術[J].油氣田地面工程,2008,27(3)：58-59.

[8]李鐵栓.注汽鍋爐的脈沖吹灰[J].油氣田地面工程,2011,30(6)：51-52.