提高注氣鍋爐運行熱效率的技術

陳允國

（勝利油田分公司注汽技術服務中心現河注汽大隊，山東 東營 257000）

我國油田開發中，存在儲量較多的稠油油藏，熱采是稠油開發重要措施。需依托注汽鍋爐進行稠油開發。注汽鍋爐能耗在稠油開發能耗中占據絕大部分。因此，有必要對排煙、爐體散熱、燃燒不充分等注汽鍋爐熱損失的原因和影響因素進行分析，提升注汽鍋爐運行熱效率和稠油開發效益。

一、注汽鍋爐運行熱效率影響因素及效率低的原因

油田專用注汽鍋爐是稠油注氣系統核心裝置，運行工況差、熱效率低會增加能耗。目前鍋爐運行熱效率普遍比設計值低5%以上，影響因素有排煙溫度過高，性能低或自身傳熱性能差，以及保溫性不足；鍋爐爐內存在較大負壓引發漏氣漏風，鍋爐管線布局不合理增加流體流動阻力。

結合鍋爐運行實際，熱效率低的主要原因是排煙溫度過高和空氣系數過大，測算可知空氣系數加大10%或排出煙氣溫度增加20℃，會降低1%的熱效率，熱效率降低會增加能耗。以23t/h注汽鍋爐為例，熱效率降低1%每小時會增加15t燃油。

在注汽鍋爐運行中，鍋爐排煙氣損失主要取決于空氣系數和排出煙氣溫度，而空氣系數與排出煙氣量也呈正比。鍋爐運行需要適當的空氣系數，過大會增加排煙溫度，過小會燃燒不充分。油田注汽鍋爐空氣系數一般在1.15左右。排出煙氣溫度、排出煙氣量對排煙氣損失影響有三種兩個指標都不達標或其中某個不達標就會造成熱損失。油田注汽鍋爐中，爐內的水或蒸汽等工質與煙氣換熱的輻射段和對流段比例為6：4，鍋爐運行中輻射段基本正常，對流段-水換熱器可分為光管換熱器和翹片管換熱器兩組，是順煙氣流動方向劃分。對流室內部的翹片管換熱器內部積垢會降低換熱效果，對流段換熱量會在40%以下。油田鍋爐尾部換熱段一般每月兩次吹灰，吹灰前后排煙氣溫度分別為300℃和240℃左右，可看出吹灰后煙氣溫度明顯降低。

油田注汽鍋爐排出煙氣設計指標中，二氧化碳、氧氣分別在12-14%、4-6%范圍，空氣系數一般在1.2以下。當前鍋爐多以重質油、輕質油或天然氣為燃料，依靠氣動閥門凸輪進行調風處理，實際操作中燃料種類及燃燒不穩定性、工況變化等，使風量與燃料燃燒很難達到最佳配比，造成鍋爐運行熱效率比設計值低。

二、提高注汽鍋爐運行熱效率技術措施

（一）實施空氣系數自動調節技術

對注汽鍋爐進行改進，建立包含檢測、控制和調節三部分組成的空氣系數自動調節系統，檢測裝置是氧化鋯氧量傳感器、變換器，可實現氧量連續準確檢測，氧化鋯氧量傳感器包含氧化陶瓷、加熱爐、電極、測溫電偶和不銹鋼外殼，可實現700℃以下氧離子傳導，在材料兩側氧氣壓力出現壓差時可根據氧氣濃度電池電動勢，求取煙氣中氧氣分壓，并以此計算煙氣空氣系數。控制部分依托現代信息技術和在線監測控制系統等，將檢測出的信號通過計算修正后以積分分離式PIO調節輸出，可設置積分分離式和積分自適應控制相結合控制方式，綜合運用失效控制、條件控制和模糊控制等方式，實現空氣系數科學控制。調節機構原來多采用機械風門，針對安裝困難、空間受限、精準度低和靈活性差等問題，現多改進為由逆變器控制的鼓風機轉速無級變速調控，但要注意設定下限控制范圍，確保供風壓力在1.5kPa以上。同時，通過增大鍋爐尾部換熱面積，也能降低排出煙氣溫度。

（二）實施清煙垢措施

通過測試燃油、煙垢化學成分，分析煙垢生成機理，利用除垢劑性能研究篩選適應類型除垢劑，開展除垢劑室內試驗和現場應用，以試驗和技術研究、室內試驗與現場應用相結合方式，確保全面掌握鍋爐燃燒銅礦特點。通過對燃油、煙垢取樣分析確定化學成分，對比不同除垢劑，在室內依據實驗結果確定清垢配方，確保依附在鍋爐受熱體表面的煙垢在除垢劑作用下龜裂、松脆和脫落，實現清垢、除垢和防垢。

（三）實施高溫輻射涂料應用

注汽鍋爐運行溫度超過650℃后是以輻射方式進行熱傳遞，通過在爐壁、爐管和爐墻上涂刷防輻射高溫涂料，增強爐體黑度和輻射波，就能使輻射波產生激烈“共振”，實現輻射換熱的強化，增強爐管吸熱性能來提升熱效率。如在注汽鍋爐輻射段陶纖表面進行紅外輻射涂料噴涂，有FHC-AB型高溫輻射涂料、HTEE-E型紅外線輻射涂料等類型，前者可使爐管超過500℃后在高溫作用下形成固化瓷膜，增加爐管黑度提升吸熱率，可提升5-10%，并且輻射涂料產生紅外輻射加劇燃燒，也提高了熱效率；后者涂刷在爐膛內襯部位，高溫烘烤后可形成固化瓷膜，因為具有較高反射率，能反射熱量增強爐管輻射力，降低散熱造成熱損失。

（四）實施煙氣余熱回收

可對煙氣余熱進行回收利用，如對鍋爐增設熱管交換器降低煙氣排出引發的熱損失，利用排出煙氣提升助燃空氣溫度。可配套設置“熱管”，是一套密封管結構，內部為真空狀態、含有高純度工質，鍋爐運行內熱管內工質能吸收熱量后蒸發和汽化，到熱管冷端會冷卻釋放熱量后凝結。實踐應用表明，利用熱管熱交換器對排出煙氣余熱進行回收后，排出煙氣溫度可實現50%左右降低，可提升鍋爐運行熱效率1.5個百分點左右。也可利用煙氣余熱進行水的加熱處理，將水加熱后再注入鍋爐內，可有效利用煙氣熱量，一般煙氣溫度降低30-40℃后可提升水溫8-15℃。

三、結論

綜上所述，油田注汽鍋爐是稠油熱采的必備設備，但運行中易存在熱效率低增加能耗的問題，針對熱效率影響因素有針對性的采取措施，提升運行熱效率，有利于實現稠油熱采降本增效。