實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統

馬建國 張洪江 王東 柳慶新 李世武

1 現狀

石油是重要的能源資源，它分為稀油和稠油兩類，目前世界上可供開采的石油儲量中，稠油所占比例高達約70%，稠油開采的地位日趨受到世界重視，將成為21世紀的重要能源[1]。我國有較為豐富的稠油資源，稠油開采已成為我國石油開采的重要組成部分。目前，世界上稠油開采的主要方式為稠油熱采，稠油熱采是世界上開采稠油最有效的方法。在稠油熱采生產過程中，由注汽鍋爐產生高溫高壓濕蒸汽，經過蒸汽管網將濕蒸汽從注汽鍋爐輸送到各稠油熱注井口，然后再通過稠油井內的熱注管筒將濕蒸汽灌注到地下的稠油油層中，對稠油油層加熱、大幅降低稠油的黏度，使固體或難于流動的稠油變為可流動的稠油流體，再用抽油機將稠油從地下抽取上來。在稠油熱采生產中，大量使用著注汽鍋爐，注汽鍋爐不僅是核心設備，而且還是稠油熱采的重要耗能設備。要使稠油熱采能夠有效提高稠油的采收率和經濟性，其中一個重要環節就是提高注汽鍋爐的效能。

為了提高稠油熱采的經濟性和節能，應提高注汽鍋爐的熱效率。注汽鍋爐的熱效率是評價注汽鍋爐性能的重要指標，它反映了注汽鍋爐能量轉換與利用的效能，即進入注汽鍋爐中燃料化學能有多大比例被利用來加熱水蒸氣，它是注汽鍋爐設計、制造、尤其是運行的重要評價指標。

提高注汽鍋爐的熱效率，就是提高注汽鍋爐的有效利用熱，根據稠油熱采注汽過程的技術要求，注汽鍋爐的出力（即熱負荷）是經常變動的，尤其是注汽鍋爐熱效率受各種因素影響。當獲知了注汽鍋爐的熱效率及各項熱損失，就可對注汽鍋爐熱損失的成因以及如何提高熱效率的途徑進行了分析[2-8]，并在此基礎了研究和開發注汽鍋爐的在線監測監控系統[9-10]，從而實現使注汽鍋爐在熱效率高效區內運行。然而，現運行的注汽鍋爐基本上都未裝配熱效率在線儀表來實時與在線揭示注汽鍋爐的熱效率，這為注汽鍋爐操作人員的日常操作、工況調節、期望保持注汽鍋爐長期在熱效率高效區運行，都造成了相當大的技術難度。為了提高注汽鍋爐的熱效率，注汽鍋爐操作人員期盼有注汽鍋爐熱效率在線檢測系統，作為操作指導、現場揭示、方向明示的監測儀器和工具[11]。

為此，對如何建立注汽鍋爐熱效率在線監測系統這一問題進行研究，尤其是側重這一在線監測系統的實用性與經濟性，力圖研究出一種實用且經濟的注汽鍋爐熱效率在線監測系統。

2 技術方案

注汽鍋爐熱效率在線監測系統，不僅應能在線監測注汽鍋爐的熱效率，還能在線揭示注汽鍋爐的排煙熱損失、不完全燃燒損失、散熱熱損失、過量空氣系數、負荷率、蒸汽干度等重要運行參數，并且還能為注汽鍋爐的節能診斷和熱效率的提高提供方向和途徑，無論在任何負荷率工況下都能使注汽鍋爐長期處在熱效率高效區運行。然而，要達到上述這些功能，僅依靠注汽鍋爐熱效率在線監測系統是不夠的，這就需要建立注汽鍋爐在線經濟運行系統。注汽鍋爐在線經濟運行運行系統，由于其研制成本和制造費用都很高，難于在稠油熱采生產中推廣和應用。稠油熱采生產中，既很需要注汽鍋爐熱效率在線監測系統，又期望它經濟與實用。為達到這一目標，注意到注汽鍋爐具有如下三個特點，一是，注汽鍋爐均裝配了一些在線熱工儀表，這些在線熱工儀表為在線獲知注汽鍋爐熱效率有輔助作用；二是，注汽鍋爐產生的濕蒸汽，其蒸汽干度與注汽鍋爐熱效率相關，而蒸汽干度還是稠油熱采效能的重要參數，然而，目前絕大多數注汽鍋爐并沒有裝配在線測量蒸汽干度的儀表，僅有用化學滴定法人工離線化驗蒸汽干度的現場采樣設施；三是，注汽鍋爐燃用的燃料主要為天然氣（或燃油），而這類燃料的組分或熱值在較長時間內可視為定值。若能充分利用注汽鍋爐上述這三個特點，就可為研制經濟實用的注汽鍋爐熱效率在線監測系統創造便利條件。

由上分析，制定了實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統的技術方案：以在線監測注汽鍋爐熱效率、排煙熱損失、過量空氣系數、排煙溫度、負荷率、蒸汽干度為目標，以注汽鍋爐標準配置的現場熱工儀表為基礎，充分利用注汽鍋爐存在的三種便利條件，即注汽鍋爐有可輔助熱效率監測的部分在線熱工儀表、注汽鍋爐有可用化學滴定法人工離線化驗蒸汽干度的現場采樣設施、以及注汽鍋爐燃用的燃料其組分或熱值在較長時間內可視作定值，由此，再增補幾個在線儀表和注汽鍋爐熱效率集算器，就組成了實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統（圖1）。

3 在線監測系統的組成與結構

3.1 系統的組成與結構

以燃氣注汽爐熱效率在線測試系統為例，它由如下在線遠傳儀表組成：天然氣流量、給水流量、給水溫度、蒸汽壓力、蒸汽溫度、在線蒸汽干度儀、煙氣溫度、在線煙氣儀、磁鐵溫度表、給風溫度表、信號集成器和熱效率監測儀。系統可充分利用注汽鍋爐原油儀器儀表。燃氣注汽鍋爐監測系統儀表配備見表1。

圖1 注汽鍋爐熱效率在線測試系統集成結構

表1 燃氣注汽鍋爐監測系統的儀表配備明細

為形成實用型燃氣注汽鍋爐熱效率在線監測系統，增添了如下幾個在線儀表，其中：在線煙氣分析儀用來測量排煙口的煙氣中氧氣和一氧化碳體積量；在線蒸汽干度儀通過測試生水和爐水電導率，生水電導率表安裝在給水采樣管，爐水爐水電導率表安裝在蒸汽冷凝水采樣管，進而測定蒸汽干度；給風溫度表安裝在給風道上，用來測定給風溫度或環境溫度；還有磁鐵溫度表安放在爐體表面，測試爐體外表面溫度等。

信號集成器和熱效率監測儀整合在儀表箱內。它包括通信電纜、多路信號接口隔離器、多路AD轉換器、CPU處理顯示器、供電線和穩壓直流電源。

圖2 注汽鍋爐熱效率在線測試系統據計算及結果顯示

穩壓直流電源用供電線向信號接口隔離器、AD轉換器和CPU處理顯示器供電，多路信號接口隔離器輸入接口分別與注汽鍋爐標準配置的現場儀表和增添的現場儀表用通信電纜連接，再分別經輸出接口用通信電纜與AD轉換器的輸入接口連接，AD轉換器將這些儀表的4～20 mA模擬信號轉換為數字信號并通過其輸出接口送入CPU處理顯示器中，CPU處理顯示器按照系統模型進行數據處理計算及結果顯示，如圖2。

3.2 系統的計算模型

1）實時壓力水焓和壓力汽焓。按公式（1）、（2）分別計算出對應的實時壓力水焓和實時壓力汽焓：

式中：PZ——蒸汽壓力表的實時蒸汽壓力，MPa；

hW、hS——分別為壓力時蒸汽壓力的水焓和蒸汽焓，kJ/h；

A1、A2、A3、A4、A5——分別為飽和水焓系數，數值分別為1 511.41、39.87、-0.38、0.08、12.50；

B1、B2、B3、B4、B5——分別為干飽和蒸汽焓系數，數值分別為2 675.28、-22.58、-1.15、-0.05、12.50。

2）空氣系數。對于燃（油）氣鍋爐空氣系數主要與排煙處氧含量有關，計算公式為

式中：RF——注汽鍋爐空氣系數，無量綱；

VO2——煙氣中體積含氧量，%。

3）排煙損失。對于燃氣鍋爐排煙損失主要與環境溫度、排煙溫度及空氣系數有關，計算公式為

式中：qY——排煙損失，%；

TY、TF——分別為煙氣溫度和環境溫度，℃。

4 結論

1）實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統，不僅能在線監測注汽鍋爐熱效率、空氣系數、排煙溫度、運行負荷率、蒸汽干度，還能揭示排煙熱損失，并且還能指出提高注汽鍋爐熱效率的方向與途徑；

2）實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統，可成為注汽鍋爐操作人員日常操作、工況調節、不同注汽鍋爐負荷率下仍保持在熱效率高效區運行的有效工具；

3）實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統，由注汽鍋爐標準配置的現場儀表、增添的煙氣含氧量表、爐水電導率表、給風溫度表、給水溫度表、給水電導率表和熱效率集算器組成。

4）實用型注汽鍋爐熱效率在線監測系統不僅造價低、而且實用性強，易于在稠油熱采的注汽鍋爐中推廣應用。

克拉瑪依油田風城采油作業區

[1]舟丹.重油——21世紀的重要能源[J].中外能源，2012（1）：107.

[2]王東.提高油田注汽鍋爐熱效率方法的研究與應用[J].中國石油和化工標準與質量，2013（22）：261-262.

[3]王雪梅.提高活動式注汽鍋爐熱效率[J].石油石化節能，2015（2）：20-22.

[4]王本臣，余開偉.提高注汽鍋爐熱效率淺析[J].中國石油和化工標準與質量，2013（22）：129-130.

[5]劉琴.油田注汽鍋爐熱效率影響因素分析[J].新疆石油科技，2015，25（4）：60-65.

[6]阮林華，陳貴軍，李維仲.注汽鍋爐熱效率影響因素分析[J].石油和化工節能，2006（5）：5-7.

[7]王波.提高注汽鍋爐運行熱效率研究[J].節能技術，2005，23（4）：382-384.

[8]劉炳成，李停停，張煜.油田注汽鍋爐運行效率分析與節能優化[J].化工進展，2009，28（S1）：452-454.

[9]王爽.淺談自控與在線監控技術在注汽鍋爐中的應用[J].石化技術，2015（2）：16.

[10]王安娜.寧偉注汽鍋爐熱效率智能檢測監控儀研究[J].控制與決策，2005，20（6）：706-712.

[11]趙云獻，于丹丹，牟蕾.稠油熱采注汽鍋爐經濟運行調控技術研究[J].石油石化節能，2015（3）：1-3.