注汽鍋爐熱效率影響因素分析及經(jīng)濟運行調(diào)節(jié)

張洪江 王東 單長城 萬騰飛 李世武

（1.中國石油遼河油田分公司；2.西北工業(yè)大學動力與能源學院）

我國有較為豐富的稠油資源，目前世界上稠油開采的主要方式為稠油熱采。在稠油熱采過程中大量使用注汽鍋爐，注汽鍋爐不僅是稠油熱采的核心設(shè)備，而且還是耗能設(shè)備。要使稠油熱采獲得高的采收率和經(jīng)濟性，其中一個重要環(huán)節(jié)就是提高注汽鍋爐的熱效率。

注汽鍋爐的熱效率是表征其能效水平的重要指標，鍋爐的經(jīng)濟運行，就是使鍋爐在熱效率高效區(qū)運行，并且運行參數(shù)安全合理。為此需要掌握影響鍋爐熱效率的因素，抓住主要因素。在鍋爐的各項熱損失中，因為排煙熱損失所占比例最大超過85%，所以掌握鍋爐排煙熱損失的影響因素，減小排煙熱損失是鍋爐經(jīng)濟運行的關(guān)鍵，尤其對注汽鍋爐更是如此。由鍋爐熱平衡測算數(shù)據(jù)及結(jié)果分析可知，鍋爐熱效率在不同過量空氣系數(shù)下隨排煙溫度升高呈現(xiàn)出線性遞減的關(guān)聯(lián)曲線，排煙溫度越高，排煙熱損失越大；過量空氣系數(shù)越大，排煙熱損失越大，并且過量空氣系數(shù)越大，排煙熱損失的曲線斜率越大。減小排煙熱損失可采取過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)技術(shù)、化學清煙垢技術(shù)和煙氣余熱回收技術(shù)的措施來實現(xiàn)[1-5]。雖然減小過量空氣系數(shù)有利于減少鍋爐的排煙熱損失，然而過小的過量空氣系數(shù)會引發(fā)化學不完全燃燒熱損失，所以存在著最佳過量空氣系數(shù)，應(yīng)確定在鍋爐運行中采用的最佳過量空氣系數(shù)[4-7]。鍋爐排煙熱損失與過量空氣系數(shù)、排煙溫度、冷空氣溫度相關(guān)聯(lián)，掌握了它們之間的關(guān)聯(lián)式，可揭示減小鍋爐排煙熱損失的方向[8]。

1 注汽鍋爐熱效率影響因素分析

對于燃氣或（油氣混燒）注汽鍋爐，因為燃用的燃料常為燃氣或燃油，不同于電廠鍋爐燃用的是煤炭，所以注汽鍋爐的熱損失就只有排煙熱損失、化學不完全燃燒損失和散熱損失，而不出現(xiàn)機械不完全燃燒損失和其他熱損失。

在注汽鍋爐的排煙熱損失、化學不完全燃燒損失和散熱損失這三項中，最主要也是最重要的是排煙熱損失，因為它是三者之中最大者，對注汽鍋爐熱效率的影響極大；所以，注汽鍋爐經(jīng)濟運行的關(guān)鍵因素就在于研究和掌握注汽鍋爐排煙熱損失對熱效率的影響。

表1 為2014 年遼河油田29 臺注汽鍋爐在正常運行狀況下的熱平衡測算數(shù)據(jù)。以下對表1的測算數(shù)據(jù)，進行注汽鍋爐熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)分析、注汽鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析，以及注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析。

1.1 注汽鍋爐熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)表1的排煙溫度與注汽鍋爐熱效率的測算數(shù)據(jù)，為了反映注汽鍋爐熱效率隨排煙溫度的變化趨勢，采用線性擬合回歸計算，經(jīng)過擬合計算，得到如圖1所示的熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線。由圖1可知，熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，排煙溫度越低，注汽鍋爐熱效率越高。

表1 排煙溫度、過量空氣系數(shù)及熱效率的測算值

圖1 熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線

1.2 注汽鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)表1的過量空氣系數(shù)與注汽鍋爐熱效率的測算數(shù)據(jù)，為了反映注汽鍋爐熱效率隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢，采用線性擬合回歸計算，經(jīng)擬合計算得到如圖2所示的熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)曲線。由圖2可知，熱效率與過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出準線性關(guān)系，過量空氣系數(shù)越低，熱效率越高。

由圖1、圖2 可知，熱效率與排煙溫度、過量空氣系數(shù)之間都存在準線性關(guān)系，為了研究其內(nèi)在性和機理性，考慮到過量空氣系數(shù)的影響，由此把表1的過量空氣系數(shù)按四個區(qū)段進行分區(qū)：過量空氣系數(shù)小于1.2為第一區(qū)段，過量空氣系數(shù)大于1.2小于1.3 為第二區(qū)段，過量空氣系數(shù)大于1.3 小于1.4 為第三區(qū)段，過量空氣系數(shù)大于1.4 為第四區(qū)段。由此四個區(qū)段研究熱效率隨排煙溫度的變化趨勢。

對于上述四個區(qū)段的過量空氣系數(shù)，根據(jù)表1的排煙溫度和熱效率的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)擬合計算得到如圖3 所示的熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線。圖3的1、2、3、4 分別對應(yīng)著第一至第四過量空氣系數(shù)區(qū)段。由圖3 可知，在各過量空氣系數(shù)區(qū)段內(nèi)，熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)著強線性關(guān)系，排煙溫度越低，熱效率越高；過量空氣系數(shù)越大，熱效率與排煙溫度之間的曲線斜率越大。

圖2 熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)曲線

圖3 四區(qū)段熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線

1.3 注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析

排煙熱損失對注汽鍋爐熱效率的影響極大，排煙熱損失不僅與排煙溫度和過量空氣系數(shù)密切相關(guān)，而且還與注汽鍋爐的給風溫度即冷空氣溫度相關(guān)。為了反映冷空氣溫度對熱效率的影響，引入凈排煙溫度這一參數(shù)，凈排煙溫度為排煙溫度與冷空氣溫度的差值。注汽鍋爐經(jīng)濟運行的主要因素就在于研究和掌握注汽鍋爐排煙熱損失對熱效率的影響。

選擇凈排煙溫度、過量空氣系數(shù)為自變量，確定注汽鍋爐熱效率與其之間的非線性關(guān)系。用多種非線性擬合算法計算，優(yōu)選出擬合計算誤差最小的結(jié)果，得到注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)圖（圖4），以及注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)式（1）。

式中：η——注汽鍋爐熱效率，%；

α——注汽鍋爐過量空氣系數(shù)；

Tjp——凈排煙溫度，℃。

由圖4可知，注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出單調(diào)曲面關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為：隨著凈排煙溫度的降低，注汽鍋爐熱效率升高；隨著過量空氣系數(shù)的降低，注汽鍋爐熱效率升高。

通過注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)式計算，不僅可根據(jù)凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的數(shù)值來預(yù)測未來注汽鍋爐的熱效率，而且還可由凈排煙溫度變化量和過量空氣系數(shù)變化量來預(yù)測未來注汽鍋爐熱效率的變化量，這有助于注汽鍋爐的提效調(diào)節(jié)和經(jīng)濟運行。

圖4 熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)圖

2 注汽鍋爐經(jīng)濟運行的調(diào)節(jié)方向與途徑

為使注汽鍋爐經(jīng)濟運行，除做好注汽鍋爐爐體外保溫、使注汽鍋爐在高熱負荷下運行之外，更應(yīng)關(guān)注減小注汽鍋爐的排煙熱損失；為此，基于1.3章節(jié)的研究，可導出熱效率與空氣系數(shù)、凈排煙溫度的關(guān)系式，見式（3）、（4）、（5），明確提高注汽鍋爐熱效率的方向與途徑。

由注汽鍋爐熱效率即式（1）得

熱效率的偏差量為

式（3）可變?yōu)槿缦滦褪剑?/p>

其中

對于某注汽鍋爐，在凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)(Tjp,α)確定的工況下，由式（1）可知該工況下的注汽鍋爐熱效率；由式（4）可知，通過對注汽鍋爐的調(diào)節(jié)，可改變注汽鍋爐凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)，以及提升注汽鍋爐熱效率。

若通過式（4）改變注汽鍋爐凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)，還不能提高注汽鍋爐熱效率，這就表明注汽鍋爐已在熱效率高效區(qū)運行，即注汽鍋爐已達到經(jīng)濟運行。

對注汽鍋爐凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)，就是在保持注汽鍋爐加熱負荷不變的前提下，對注汽鍋爐燃料量和冷空氣量的調(diào)節(jié)。表2 給出4臺注汽鍋爐依據(jù)某工況（凈排煙溫度、空氣系數(shù)）、由式（1）求得該工況下的熱效率。對注汽鍋爐按照優(yōu)化方案進行調(diào)節(jié)，即降低凈排煙溫度和空氣系數(shù)，再由式（4）、（5）、（6）求得調(diào)節(jié)后預(yù)估的熱效率。

表2 凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)效果

3 結(jié)論

1）注汽鍋爐熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，排煙溫度越低，注汽鍋爐熱效率越高。

2）注汽鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出準線性關(guān)系，過量空氣系數(shù)越低，熱效率越高，但存在最佳過量空氣系數(shù)。

3）在各過量空氣系數(shù)區(qū)段內(nèi)，注汽鍋爐熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)著強線性關(guān)系，排煙溫度越低，熱效率越高；過量空氣系數(shù)越大，注汽鍋爐熱效率與排煙溫度之間的曲線斜率越大。

4）注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出單調(diào)曲面關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為：隨著凈排煙溫度的降低，注汽鍋爐熱效率升高；隨著過量空氣系數(shù)的降低，注汽鍋爐熱效率升高。

5）通過注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)式計算，不僅可預(yù)測未來注汽鍋爐熱效率，而且還可由凈排煙溫度變化量和過量空氣系數(shù)變化量來預(yù)測未來注汽鍋爐熱效率的變化量，并由此判斷注汽鍋爐是否達到經(jīng)濟運行，以及提高注汽鍋爐熱效率的方向與途徑。