渤海油田稠油熱采注汽鍋爐選型要點

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司 渤海石油研究院, 天津 300459)

0 引 言

渤海油田稠油儲量豐富，隨著油田開發速度加快，稠油熱采開發成為必然趨勢。注汽鍋爐是稠油熱采的重要耗能設備之一，在陸地油田已成熟應用。國內外現有研究集中于稠油熱采注汽鍋爐燃料適用性、熱效率提升、內部結構優化、余熱回收等方面，海上稠油熱采開發研究起步較晚[1]，對注汽鍋爐海上應用、鍋爐用水要求的研究較少，受平臺空間有限，運輸及設備安裝工作量大，淡水、燃料寶貴等制約條件的影響，海上注汽鍋爐的選型難度和研究必要性增加。從鍋爐燃料選擇、鍋爐用水、余熱利用、鍋爐型式、清潔維修和總體布置等方面對海上注汽鍋爐選型進行分析，為海上注汽鍋爐選型提供新思路。

1 注汽鍋爐類型及選型原則

注汽鍋爐按制造級別(A級蒸汽壓力)可分為：中壓鍋爐、次高壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐、亞臨界鍋爐、超臨界鍋爐等，如表1所示。

表1 A級注汽鍋爐制造級別

注汽鍋爐的主要工藝參數有：蒸汽出口壓力、蒸汽流量、蒸汽干度、蒸汽出口溫度。為保證熱采效率，到達井底的蒸汽需有足夠的流量、溫度、壓力和干度，注汽鍋爐選型時應優先保證其工藝需求。其次，鑒于海上運輸和淡水、燃料的獲取相對陸地都更為困難，需著重考慮燃料油及鍋爐用水問題，在滿足工藝需求的同時，保證鍋爐的使用壽命，減少大修和事故，并從經濟適用性方面加以余熱利用的考慮。另外，由于海上設備安裝和占地的特殊性，需考慮鍋爐型式、布置和維修操作空間。

2 注汽鍋爐系統配置方案

2.1 注汽鍋爐燃料選擇

考慮到燃料成本，陸上稠油開發常采用原油、稠油、重油、渣油或煤作為鍋爐的主要燃料。海上稠油油田注汽鍋爐一般利用伴生氣，其他平臺生產外輸至本平臺的原油，或本平臺開采的稠油經處理后滿足鍋爐要求的稠油作為燃料。渤海稠油油田區塊較零散，利用伴生氣需新建輸氣管線，可能會增加開發風險；利用原油或稠油作為燃料時需增加燃料油處理設備，燃料成本和設備投資相對較高。注汽鍋爐燃料選擇應從經濟性和適用性兩方面進行考慮。

以兩臺15 t/h注汽鍋爐(1用1備)為例，鍋爐燃氣/燃油模式全生命周期經濟投資對比如表2所示。

表2 鍋爐燃氣/燃油模式全生命周期經濟投資對比

續表2 鍋爐燃氣/燃油模式全生命周期經濟投資對比

經過對比計算：按1 a注汽6個月，注采時間為25 a計算，如果不考慮平臺其他用氣設備(如電站)的影響，當平臺距離(或海管長度)大于3.14 km時，不建議新建引氣海管使用伴生氣作為注汽鍋爐燃料。

在使用燃料油的情況下，需對注汽鍋爐燃料油進行處理。影響注汽鍋爐的燃料油物性主要有兩點，一是燃料油含水量，二是燃料油在一定溫度下的黏度。燃料油含水量過高會影響燃料油的燃燒質量并加重煙氣含碳量，影響燃燒器和盤管壽命，降低鍋爐效率和蒸汽質量；燃料油黏度過大會影響燃燒質量且容易堵塞燃燒器。二者直接影響鍋爐的效率以及燃燒器和鍋爐盤管壽命，從而間接影響熱采效果和設備維修投資。國產注汽鍋爐常用燃燒器燃料適用性如表3所示。

表3 國產注汽鍋爐燃燒器燃料適用性

在燃料油處理工藝上可以采用靜電聚結(一級)+破乳劑、電脫水(二級)+破乳劑的方式進行稠油脫水。進行電脫水試驗時應考慮各種可能情況，優化破乳劑使用量、電脫電壓、稠油停留時間、電脫溫度，從而選擇最經濟的電脫水方案。以某油田為例，處理流程：一級，靜電聚結脫水，破乳劑BH-33用量200 μg/g以上，溫度130 ℃左右，電壓3 000～3 500 V，停留時間40～60 min，將含水率降低至25%以下；二級，電脫水，破乳劑BH-33用量200 μg/g以上，溫度130 ℃左右，停留時間40～60 min，電壓1 100 V(電場強度800 V/cm)，裸電極脫水將含水率降低至2%～5%。

海上平臺常用添加降黏劑和升溫的方法降低稠油作為燃料油時的黏度，此方法適用于使用量大的燃料油，例如：注汽鍋爐用燃料、熱介質鍋爐用燃料、電站用燃料(一般為燒渣油、重油的原油電站，渤海應用較少)。使用摻原油或柴油的方法降黏，成本相對較高，但工藝簡單，可短期使用或在用量少的情況下使用，例如鍋爐引燃。

2.2 注汽鍋爐水處理

海水礦化度高，直接作為鍋爐水易結垢、堵塞盤管，因此，鍋爐水礦化度越低，對鍋爐的壽命越有利。國產注汽鍋爐大多數只能使用淡水作為鍋爐用水。根據稠油集輸及注蒸汽系統設計規范 (SY0027-1994)，海水淡化出口水(鍋爐用軟化水，pH 7.5～11.0)質量如表4所示，選型時應考慮生產中是否有足夠余量的水源井水供給鍋爐。由于平臺井數有限，新鉆1口水源井投資較大，如果水源井水不足，應優先考慮海水淡化裝置。

表4 海水淡化出口水質量要求 mg/L

現階段海上平臺鍋爐用水多來自于海水淡化裝置或水源井水，水源的對比如表5所示。

表5 海上平臺鍋爐用水水源對比

2.3 注汽鍋爐余熱利用

注汽鍋爐在產生蒸汽的同時還會產生一定量的熱水和煙氣。15 t/h的注汽鍋爐可產生2～3 t/h的熱水。如果產生的熱水流量符合原油摻水外輸的用量，就可將注汽鍋爐熱水和稠油摻水一起外輸，從而簡化一部分工藝流程和設備。如果熱水量不足但水溫高，可作為應急置換用水，當現場發生應急關斷時，可直接利用鍋爐熱水進行應急置換，無需再用應急電加熱熱水后進行置換，從而降低海上平臺應急電負荷。

目前實際運行的注汽鍋爐排煙溫度較高，一般在140～270 ℃[2]，為有效利用鍋爐廢熱：一方面，可從設計上選用排煙溫度低、熱效率高的注汽鍋爐，例如增加自動控制煙氣含氧量技術，使燃料燃燒更完全，避免冒黑煙問題[3]；另一方面，可從利用煙氣余熱角度進行流程設計，例如利用煙氣余熱加熱生產水，或者設置余熱回收裝置，合理控制排煙溫度[4]。

3 注汽鍋爐布置方案

海上平臺空間有限，設備安裝難度和工作量大，選型時應充分考慮鍋爐型式、維修操作空間及總體布置等因素。

3.1 注汽鍋爐型式對比

臥式、立式鍋爐的布置、熱效率對比如表6所示。

表6 注汽鍋爐型式對比

選擇注汽鍋爐型式時需考慮以下4點：

(1) 優先考慮平臺空間使用情況。海上平臺布置緊湊，大井口平臺、中心平臺上層甲板空間有限，注汽鍋爐一般不可放置于上層甲板。中層甲板受層高限制(渤海海上平臺中層甲板層高一般為8～9 m)，無法布置立式注汽鍋爐。即使層高滿足立式鍋爐布置維修要求，平臺空間也很難充分利用，層高過高還會增加平臺的用鋼量。因此，當平臺上甲板空間不足時，一般不推薦選用立式注汽鍋爐。

(2) 充分考慮水質、燃料、生產維修頻率對注汽鍋爐盤管壽命、熱效率的影響。注汽鍋爐受水質、燃料的影響，平均熱效率為81.61%[5]，達不到設備預期的熱效率(90%)。在進行注汽鍋爐選型時，應充分考慮內部結構適用性，并為鍋爐熱負荷預留適當的余量。

(3) 應考慮注汽鍋爐內部結構型式優化的可能性，如臥式鍋爐可在對流段增加固定旋轉式蒸汽吹灰器，翅片管采用順排布置，增加部分翅片管，以提高鍋爐效率[6]。

(4) 考慮廠家主要生產的鍋爐類型，綜合對比各廠家鍋爐型式、應用業績及鍋爐實際運轉情況進行選型。

3.2 注汽鍋爐清潔與維修

設備布置時應留有適當的操作、維修空間，保證在吹灰、維修、抽芯時有必要的安全空間。建議鍋爐前后預留2 m，左右預留1.5 m。同時，充分考慮注汽鍋爐在更換較大部件(如換熱管)時吊裝所需的高度，留有適當的空間。應根據現場常風向(或風玫瑰圖)布置鍋爐排煙方向，保證注汽鍋爐排煙不會被風回吹至甲板，對操作人員造成傷害。為了注汽鍋爐維修及排煙的便利，盡量不要將注汽鍋爐布置在平臺的中部。

3.3 注汽鍋爐總體布置優化

海上平臺造價昂貴，布置注汽鍋爐及其輔機設備時，應考慮平臺其他設備的布置情況，盡量減少占地面積，并充分利用平臺空間。水處理設備可與注汽鍋爐錯層布置，同時將注汽鍋爐的控制方式改為計算機方式，將水處理控制儀表盤及所需操作的儀器儀表放置在其他層甲板上，最大化利用平臺現有面積和空間。如果選用臥式鍋爐，可將側放于鍋爐的部分水-水換熱器改為布置在鍋爐筒體上方。

在進行鍋爐及其輔機設備總圖布置時，應考慮注汽鍋爐質量對平臺的影響，如偏心、承重等。

4 結束語

海上稠油油田注汽鍋爐燃料的選擇和處理直接關系到成本投資，需選擇經濟、簡捷的處理流程，并保證處理后的稠油滿足燃燒器和注汽鍋爐的要求。進行燃料處理流程設計時，充分考慮混摻周邊油田原油的可行性，通過調節化學藥劑使用量、電脫水溫度和電壓，優化工藝流程，減少處理級數，從而優化處理設備。

海上平臺注汽鍋爐的熱效率一般為：煙管鍋爐70%～80%，水管鍋爐80%～90%。在熱效率上各廠家沒有特別的優劣之分。現階段，注汽鍋爐的主要發展方向為：(1)通過優化盤管、燃燒器、火焰控制，提高熱效率；(2)優化鍋爐結構、盤管涂層，抑制鍋爐結垢、盤管堵塞等問題；(3)提高鍋爐適用性，如：煙氣回收、利用污水作為鍋爐水。

充分利用注汽鍋爐熱水、加設廢熱回收裝置是現階段注汽鍋爐余熱利用的主要方式，在鍋爐選型時，考慮利用鍋爐余熱的同時應該綜合計算投資，從而達到降本增效的目的。海上平臺空間有限，設備安裝難度和工作量大，選型時應充分考慮鍋爐型式、維修操作空間及總體布置等因素。

在開發海上稠油油田的前期研究階段，注汽鍋爐選型應兼顧工藝、機械、總體等專業的要求統籌考慮，充分借鑒陸上稠油油田選型經驗，并考慮海上與陸上油田的差別，從設備全生命周期的角度，優化工藝流程、設備選型及布置，達到海上平臺降本增效的目的。