稠油熱采注汽鍋爐經濟運行調控技術研究

趙云獻于丹丹牟蕾李煒鄭煒博肖志勇

（1.勝利油田采油工程處；2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院；3.勝利石油管理局高級人才培訓中心黨校；4.勝利油田技術檢測中心）

稠油熱采注汽鍋爐經濟運行調控技術研究

趙云獻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.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院；3.勝利石油管理局高級人才培訓中心黨校；4.勝利油田技術檢測中心）

通過對勝利油田注汽鍋爐的熱平衡測算結果進行分析，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剩空氣系數、排煙溫度和爐體保溫技術。針對油田某注汽鍋爐，設計了熱效率優化方案并進行試驗，采取了煙氣余熱回收、爐膛盤管清灰清垢、調節過剩空氣系數、改進爐體保溫性能等措施，達到了預期的節能效果。

注汽鍋爐熱效率排煙溫度過剩空氣系數

引言

注汽鍋爐是制取蒸汽、熱采開發稠油的關鍵設備，在稠油熱采中發揮著舉足輕重的作用，是油田熱采中耗能最大的設備之一。隨著稠油開采規模的逐年加大，對注汽鍋爐的安全和經濟運行提出了更高的要求。據國外統計，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、高成本的開發工藝。目前，勝利油田的注汽鍋爐由于運行時間較長，運行狀況普遍下降。測試結果顯示，大部分鍋爐的熱效率偏低，未達到設計要求，平均熱效率在86%左右，與美國、加拿大等發達國家的注汽鍋爐相比低4%～7%。注汽鍋爐的熱效率降低，必然導致鍋爐能耗增加，影響稠油熱采的開發效果和經濟效益。因此，優化注汽鍋爐的運行，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

注汽鍋爐在正常運行的條件下，其熱損耗主要表現在3個方面。

1.1排煙熱損失

根據我國工業鍋爐排煙標準，容量在6t/h以上的鍋爐，排煙溫度要小于或等于180℃。目前實際運行的注汽鍋爐，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，有一部分熱量會浪費而造成排煙熱損失。排煙熱損失是油田注汽鍋爐各項熱損失中最大的一項，約占鍋爐總熱損失的80%。圖1是勝利油田35臺注汽鍋爐的排煙熱損失與注汽鍋爐熱效率的關系。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。排煙熱損失可根據如下經驗公式計算［2］：

q2=（0.5+0.5α）（tpy-t0）（1）

式中：q2為排煙熱損失，J；α為過剩空氣系數；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，運行熱效率下降。一般來說，注汽鍋爐的過剩空氣系數增大就會導致排煙體積增多，過剩空氣系數每增加0.1，鍋爐運行熱效率會降低1%左右。但是過剩空氣系數過小，燃料不能充分燃燒，鍋爐效率也會下降，同時還會引起環境污染。圖2為過剩空氣系數對排煙熱損失和鍋爐熱效率的影響。勝利油田35臺注汽鍋爐目前的平均空氣系數為1.27，過剩空氣系數的合格率僅為54.3%，鍋爐運行存在的主要問題為過剩空氣系數超標。因此，將過剩空氣系數控制在合理的范圍之內，是提高鍋爐熱效率的重要手段。

圖2　過剩空氣系數對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臺注汽鍋爐的排煙溫度對熱效率的影響。35臺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，隨著排煙溫度的升高，注汽鍋爐的熱效率雖然由于投產年限等其他因素的影響有所波動，但總體呈下降趨勢，說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，還應盡量設法降低排煙溫度。有研究發現，按照目前實際運行的注汽鍋爐排煙溫度，若使其降至標準排煙溫度，大部分將會降低50℃左右，相應熱效率將提高2%～3%。

圖3　排煙溫度對注汽鍋爐熱效率的影響

1.2爐體散熱損失

在注汽鍋爐運行過程中，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境溫度高，這樣一部分熱量不可避免地以對流、輻射的方式散失到周圍環境中，造成鍋爐的散熱損失。勝利油田35臺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系。由圖可見，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未完全燃燒熱損失和機械未完全燃燒熱損失。化學未完全燃燒熱損失主要是由于煙氣中含有殘余的可燃氣體所造成的。煙氣中可燃氣體含量越高，化學未完全燃燒熱損失越大。影響煙氣中可燃氣體含量的主要因素包括爐內過剩空氣系數、爐膛溫度以及爐內空氣動力工況等。機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。對于燃油和燃氣鍋爐，一般認為此項損失為0。

2　優化生產參數及運行方案

通過分析，若想提高注汽鍋爐的熱效率從而使注汽鍋爐更加經濟地運行，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氣鍋爐，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。結合油田實際情況，選定油田某燃油注汽鍋爐進行優化整改。

2.1優化整改措施

2.1.1煙氣余熱回收

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

圖5　煙氣余熱預熱燃油系統模型

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，由于渣油的組分復雜，且瀝青含量較高，燃燒后會有大量灰渣殘留，這些灰渣大部分沉積在爐膛盤管上，隨著時間的推移逐漸積厚，嚴重影響受熱面的傳熱，從而導致排煙溫度過高。因此，對該加熱爐進行爐膛盤管積灰、結垢等方面的檢查，對煙垢做取樣分析，確定除垢劑的化學成分和配方，利用化學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過剩空氣系數的調節

油田注汽鍋爐的過剩空氣系數超標的主要原因是沒有對含氧量進行實時監控，鍋爐日常運行調控不合理，而排煙溫度的高低又和過剩空氣系數密切相關，因此通過降低過剩空氣系數來降低排煙熱損失，才能使鍋爐的效率有較大的提高。此次通過調節風機擋板來調節該鍋爐的過剩空氣系數，將過剩空氣系數保持在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

油田現有鍋爐所采用的保溫結構普遍為硅酸鋁纖維棉噴涂，其表面溫度雖均在標準范圍內，但隨著使用年限的增加，現有的保溫材料均出現了不同程度的老化現象，保溫纖維逐漸流失，導致爐體的散熱損失升高。此外，由于鍋爐內上半部分的煙氣溫度較高，導致爐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，對目標鍋爐的爐體保溫材料進行了檢驗和修復更換，并加厚了上部的保溫材料。

2.2優化前后生產參數對比

通過對油田某燃油注汽鍋爐生產參數進行優化整改，實現了年節約燃油394.6t。優化前后生產參數對比見表1。

表1　優化前后生產參數對比

3　結論

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

2）影響排煙熱損失的主要因素包括過剩空氣系數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行提效整改，通過煙氣余熱回收、爐膛盤管清灰清垢、調節過剩空氣系數等手段降低了排煙熱損失，通過更換加厚保溫材料降低了散熱損失。

4）通過現場試驗，優化方案提高了目標燃油注汽鍋爐5.6%的熱效率，在設計、運行和節能效果上達到了預期的要求。

［1］朱榮東，魏建才，王亦凌，等.通過優化注汽鍋爐霧化噴嘴運行參數提高注汽鍋爐熱效率［J］.機械，2004（6）：65-67.

［2］劉鐵哲.優化最佳過量空氣系數提高注汽鍋爐熱效率［J］.石油石化節能，2014，4（3）：12-13.

［3］施益昌.通過控制過量空氣系數提高注汽鍋爐熱效率［J］.管道技術與設備，2004（1）：16-17.

［4］余蘭，宋興海.燃油注汽鍋爐煙氣余熱回收技術［J］.節能技術，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能評價指標的計算方法［J］.節能，2002（12）：10-12.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.001

2014-12-18）

趙云獻，工程師，2003年畢業于大慶石油學院，從事稠油熱采研究工作，E-mail：zhaoyunxian078.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營市東營區濟南路258號，257000。