提高油田燃?xì)夤I(yè)鍋爐運(yùn)行效率初探

于松義

江蘇石油勘探局 技術(shù)監(jiān)督（監(jiān)測(cè)）中心節(jié)能監(jiān)測(cè)站(江蘇 揚(yáng)州225012)

工業(yè)鍋爐是油田組織開展油氣開采、集輸和儲(chǔ)運(yùn)等工作必不可少的耗能設(shè)備之一。隨著科技的發(fā)展和國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保工作重視程度的日益加強(qiáng)，工業(yè)鍋爐無(wú)論在本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是在燃料種類選擇等方面均發(fā)生了較大改變。目前，油田生產(chǎn)領(lǐng)域在用容量2 t/h、4 t/h的工業(yè)鍋爐主要以單鍋筒縱置式室燃爐為主，燃料種類也由原油、油氣混燒向油田伴生氣轉(zhuǎn)變。針對(duì)油田燃?xì)夤I(yè)鍋爐普遍存在使用年限較長(zhǎng)，本體和排煙道與換熱器連接處漏風(fēng)，以及人為調(diào)節(jié)難度大和自控能力欠缺等問題，采取巡查堵漏措施，優(yōu)化運(yùn)行管理手段，并積極引進(jìn)節(jié)能新技術(shù)，是油田降本增效的一項(xiàng)重要舉措。

1 影響工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率的因素分析

工業(yè)鍋爐熱效率是指投入爐膛內(nèi)的燃料，在理論上所能釋放的化學(xué)熱中有多少被水吸收而產(chǎn)生熱水或蒸汽，即單位時(shí)間內(nèi)工業(yè)鍋爐有效利用熱量占輸入熱量的百分比[1]。從油田部分工業(yè)鍋爐監(jiān)測(cè)結(jié)果看（表1），工業(yè)鍋爐由于受使用年限較長(zhǎng)、燃料在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)人為配風(fēng)不合理、鍋爐本體及排煙煙道與換熱器連接處漏風(fēng)點(diǎn)較多和容量配置偏大等因素影響，普遍存在工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)超標(biāo)和運(yùn)行負(fù)荷率較低等不足，從而導(dǎo)致部分工業(yè)鍋爐熱效率距標(biāo)準(zhǔn)[2]中規(guī)定的3級(jí)能效水平存在一定差距。下面分別從燃料在爐膛內(nèi)燃燒通風(fēng)、本體運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)對(duì)熱效率的影響進(jìn)行分析。

表1 油田在用部分工業(yè)鍋爐監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.1 燃料燃燒通風(fēng)的影響

燃料燃燒是指燃料中可燃物與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)后釋放化學(xué)熱的過程[3]。而合理通風(fēng)是保證燃料在爐膛內(nèi)充分燃燒的關(guān)鍵要素。一般工業(yè)鍋爐基本通風(fēng)方式分別為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。油田生產(chǎn)領(lǐng)域在用工業(yè)鍋爐主要以機(jī)械通風(fēng)為主，而機(jī)械通風(fēng)又分為負(fù)壓、正壓和平衡3種通風(fēng)方式。

1.1.1 負(fù)壓通風(fēng)

負(fù)壓通風(fēng)指借引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的引力，克服風(fēng)、煙道阻力使?fàn)t膛維持負(fù)壓。此通風(fēng)方式具有操作便捷優(yōu)點(diǎn)，但工業(yè)鍋爐運(yùn)行中各部位均處于負(fù)壓狀態(tài)，一旦鍋爐本體、輔機(jī)和煙道等處密封不嚴(yán)，會(huì)造成漏風(fēng)量增加、過量空氣系數(shù)超標(biāo)、風(fēng)機(jī)耗電量升高和鍋爐熱效率偏低等不良后果。負(fù)壓通風(fēng)方式，在油田勘探開發(fā)建設(shè)中期，大部分集油站（庫(kù)）燃油工業(yè)鍋爐上應(yīng)用“DT”型燃燒器（機(jī)械霧化式）時(shí)極為普遍。為滿足生產(chǎn)需要，在調(diào)節(jié)工業(yè)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，一般通過控制燃油閥門和調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口擋板開度進(jìn)行通風(fēng)，由于燃油量與吸入爐膛內(nèi)空氣量調(diào)配不合理，既增加了風(fēng)機(jī)的通風(fēng)阻力，也使工業(yè)鍋爐熱效率一直處于75%左右的運(yùn)行水平。

1.1.2 正壓通風(fēng)

正壓通風(fēng)指依靠鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓頭克服風(fēng)、煙道阻力使鍋爐維持微正壓。這種通風(fēng)方式對(duì)鍋爐本體、輔機(jī)和煙道等處的密封性要求較高，一般適用于燃油、燃?xì)忮仩t。目前，這種通風(fēng)方式雖在油田生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較少，但依據(jù)GB 50041—2020《鍋爐房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中7.0.1規(guī)定，微正壓通風(fēng)由于具有配風(fēng)速度快、燃燒強(qiáng)度大和傳熱效率高等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)部分企業(yè)燃?xì)夤I(yè)鍋爐的首選。

1.1.3 平衡配風(fēng)

平衡配風(fēng)指在工業(yè)鍋爐上，既配置鼓風(fēng)機(jī)又安裝引風(fēng)機(jī)，靠鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓頭克服風(fēng)道阻力，借引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸力克服煙道阻力，從而使?fàn)t膛維持20～40 Pa的負(fù)壓。這種配風(fēng)方式在油田生產(chǎn)領(lǐng)域工業(yè)鍋爐上應(yīng)用較為普遍。雖然油田近年來(lái)已在大部分工業(yè)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)上應(yīng)用了變頻調(diào)速控制技術(shù)，但由于受設(shè)備陳舊、不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和人為調(diào)節(jié)不及時(shí)等因素影響，工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)達(dá)標(biāo)率約50%，制約了工業(yè)鍋爐熱效率進(jìn)一步提升。

1.1.4 過量空氣系數(shù)的影響

過量空氣系數(shù)（α）是指爐膛內(nèi)燃料燃燒時(shí)，實(shí)際供給的空氣量與理論空氣量之比[5]。一般燃料中的可燃物不可能與空氣中的氧完全反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)熱，為了保證燃料中可燃物全部燒掉，實(shí)際提供的空氣量要大于理論空氣量。依據(jù)Q/SH 3145 0627—2019《油田重點(diǎn)耗能設(shè)備（系統(tǒng)）能效限定值及能效等級(jí)》規(guī)定，2 t/h≤D＜10 t/h（D為鍋爐容量）的工業(yè)鍋爐，α≤1.6。在實(shí)際生產(chǎn)中，若工業(yè)鍋爐在一定的負(fù)荷條件下α較小時(shí)，會(huì)使燃料中可燃物不完全燃燒，排煙中部分高溫可燃物會(huì)粘結(jié)在爐膛內(nèi)水冷壁和尾部換熱器上，從而造成局部熱阻和氣體不完全燃燒損失增加，既降低了爐效，又污染了環(huán)境；當(dāng)α偏大時(shí)，由于爐膛內(nèi)冷空氣富裕量增多，相對(duì)降低了爐膛溫度，不僅破壞了爐膛內(nèi)燃料燃燒環(huán)境，也造成鍋爐排煙熱損失增加，極易導(dǎo)致鍋爐尾部二次燃燒等不良現(xiàn)象的發(fā)生。因此，α偏大或偏小都會(huì)對(duì)工業(yè)鍋爐熱效率產(chǎn)生不良影響。

分析油田近年來(lái)在用工業(yè)鍋爐監(jiān)測(cè)結(jié)果，影響其尾部排煙處過量空氣系數(shù)不達(dá)標(biāo)的主要因素如圖1所示。

圖1 影響過量空氣系數(shù)的主要因素

1.2 工業(yè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響

1.2.1 汽壓

工業(yè)鍋爐供汽壓力主要以設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)。供汽壓力波動(dòng)范圍一般控制在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)工業(yè)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，供汽壓力也隨之發(fā)生變動(dòng)，一般汽壓調(diào)節(jié)滯后于汽壓的變化，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率越低。因此，當(dāng)班工人在滿足生產(chǎn)需要調(diào)整燃燒和供汽時(shí)，應(yīng)具有超前意識(shí)和快速反應(yīng)能力，避免因供汽壓力波動(dòng)過大和持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)帶來(lái)工業(yè)鍋爐低效運(yùn)行。目前油田生產(chǎn)領(lǐng)域熱需求量相對(duì)穩(wěn)定，工業(yè)鍋爐供汽壓力一般控制在0.3～0.5 MPa。

1.2.2 水位

工業(yè)鍋爐水位控制對(duì)其安全、高效運(yùn)行十分重要。當(dāng)水位偏低時(shí)，若大量補(bǔ)水，會(huì)使鍋爐汽壓明顯下降。為滿足生產(chǎn)需要，保證汽壓穩(wěn)定，勢(shì)必加大燃燒，增加燃料消耗。當(dāng)水位過高時(shí)，極易發(fā)生滿水事故，使過量的水汽流失，從而造成能量浪費(fèi)。因此，應(yīng)按照規(guī)程規(guī)定嚴(yán)格控制鍋筒水位，避免工業(yè)鍋爐水位偏低或過高帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，鍋筒恒水位變頻閉環(huán)控制已作為一項(xiàng)較成熟的技術(shù)在油田推廣應(yīng)用，確保了工業(yè)鍋爐安全可靠運(yùn)行。

2 采取的主要整改措施

2.1 降低工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)

尾部排煙處過量空氣系數(shù)不達(dá)標(biāo)是制約工業(yè)鍋爐熱效率提高的主要因素。因此，從已測(cè)試的工業(yè)鍋爐中選取兩臺(tái)不同容量的鍋爐作為整改對(duì)象。從測(cè)試分析中發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)工業(yè)鍋爐由于受鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)人為調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率不合理的影響，使?fàn)t膛負(fù)壓計(jì)顯示結(jié)果在10～15 mm水柱間擺動(dòng)，爐膛負(fù)壓大，燃燒不穩(wěn)定，尾部排煙處存在二次燃燒現(xiàn)象。按照滿足生產(chǎn)需要和平穩(wěn)供汽的要求，并遵循燃料消耗量、鼓風(fēng)量和引風(fēng)量調(diào)節(jié)順序原則[5]，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，在爐膛負(fù)壓計(jì)顯示結(jié)果在3 mm水柱時(shí)，經(jīng)復(fù)測(cè)，達(dá)到了較滿意的運(yùn)行效果。陳3站兩臺(tái)工業(yè)鍋爐整改前后測(cè)試結(jié)果見表2。

由表2知，在工業(yè)鍋爐過量空氣系數(shù)、尾部排煙溫度均下降的情況下，2#、3#工業(yè)鍋爐熱效率分別提高了6.10%和6.04%，形成年節(jié)約能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤205 t的能力。

表2 陳3站兩臺(tái)工業(yè)鍋爐整改前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.2 采取堵漏措施

2020年5 月，使用煙氣分析儀對(duì)運(yùn)行中接轉(zhuǎn)站兩臺(tái)工業(yè)鍋爐測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，工業(yè)鍋爐尾部排煙測(cè)點(diǎn)處，儀器顯示排煙中氧含量高達(dá)19%和17.4%，過量空系數(shù)分別達(dá)到9.409和5.322，直接影響工業(yè)鍋爐的正常運(yùn)行。因此，分別對(duì)這兩臺(tái)工業(yè)鍋爐采取了巡查、堵漏和鼓風(fēng)、引風(fēng)優(yōu)化措施調(diào)配整改。接轉(zhuǎn)站兩臺(tái)工業(yè)鍋爐整改前后對(duì)比測(cè)試結(jié)果見表3。

由表3知，經(jīng)整改后，兩臺(tái)工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)較整改前大幅度下降，熱效率也分別增加了13.93%和3.74%，既恢復(fù)了工業(yè)鍋爐的正常運(yùn)行，也使引風(fēng)機(jī)輸入功率下降了5.8 kW，形成年節(jié)約能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤270 t的能力。

表3 接轉(zhuǎn)站兩臺(tái)工業(yè)鍋爐整改前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 提高工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率的建議

3.1 采取巡查整改措施

針對(duì)目前油田在用工業(yè)鍋爐存在的不足，吸收運(yùn)行管理中的經(jīng)驗(yàn)，削減不利因素造成的影響，在巡查、堵漏、監(jiān)督和技術(shù)改造等方面落實(shí)，并形成常態(tài)化、制度化。

3.2 提高工業(yè)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷率

由于受到油田勘探開發(fā)后期產(chǎn)液含水逐年升高和供熱方式轉(zhuǎn)變等多方面因素的影響，全年大半時(shí)間油田大部分工業(yè)鍋爐處于低于額定負(fù)荷60%的現(xiàn)狀。油田相關(guān)部門在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上，根據(jù)季節(jié)變化，應(yīng)合理調(diào)整不同容量供熱設(shè)備組合，加大耗能設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，優(yōu)化主要運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提高工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率。

3.3 健全約束與激勵(lì)機(jī)制，加大科學(xué)考核力度

針對(duì)油田工業(yè)鍋爐普遍存在補(bǔ)水、供汽流量等計(jì)量?jī)x表配置不足問題，油田相關(guān)部門或單位應(yīng)按照GB 17167—2006《用能單位能源計(jì)量器具配備和管理通則》要求，在合理配置工業(yè)鍋爐燃?xì)狻⒐┢脱a(bǔ)水流量等監(jiān)控儀器儀表基礎(chǔ)上，結(jié)合油田有關(guān)工業(yè)鍋爐運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)改造和巡查監(jiān)督等規(guī)章制度，下達(dá)燃?xì)庀牧康扔残钥己酥笜?biāo)，細(xì)化分、量化比、嚴(yán)考核、硬兌現(xiàn)，切實(shí)將約束與激勵(lì)機(jī)制貫穿于工作中的各個(gè)環(huán)節(jié)，營(yíng)造節(jié)能文化氛圍。

3.4 積極引進(jìn)節(jié)能新技術(shù)，提升能源利用效率

為根除存在的問題，油田應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，以自籌資金或采取合同化能源管理的方式，并按照引進(jìn)試用、測(cè)試評(píng)價(jià)和逐步推廣的工作思路，以點(diǎn)帶面對(duì)已使用20年以上、設(shè)備陳舊、控制通風(fēng)難度較大的2 t/h或4 t/h工業(yè)鍋爐實(shí)施替換。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中、小型容量超低氮冷凝余熱蒸汽鍋爐，已成為不少企業(yè)燃?xì)夤嵫b置的首選，如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐工藝圖

該裝置采用高效低應(yīng)力內(nèi)燃煙氣二回程結(jié)構(gòu)，圓弧形對(duì)開爐門設(shè)計(jì)，并配置了超低氮燃燒器、高效空氣預(yù)熱器和節(jié)能冷凝一體機(jī)等設(shè)備。其中，超低氮燃燒器利用自身再循環(huán)技術(shù)，使煙氣再循環(huán)，燃燒溫度降低，氮氧化物減少；高效空氣預(yù)熱器采用前煙箱煙氣與進(jìn)爐膛助燃空氣雙向逆流換熱，具有較高的換熱效率；節(jié)能冷凝一體機(jī)采用逆向沖刷對(duì)流換熱技術(shù)，通過錯(cuò)排分布的硅鎂鋁合金翅片管與工業(yè)鍋爐補(bǔ)水逆向?qū)α鲹Q熱，進(jìn)一步回收煙氣中的顯熱和潛熱。另外，該設(shè)備燃?xì)狻⑴滹L(fēng)和補(bǔ)水，均根據(jù)生產(chǎn)熱負(fù)荷需要實(shí)現(xiàn)變頻閉環(huán)控制，從而使工業(yè)鍋爐由過去的平衡通風(fēng)向微正壓通風(fēng)轉(zhuǎn)變，確保工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。

對(duì)一臺(tái)裝機(jī)容量4 t/h的工業(yè)鍋爐實(shí)施替換后，鍋爐排放煙氣中氮氧化物含量控制在30 mg/m3以下，尾部排煙處過量空氣系數(shù)降至1.15～1.25，熱效率由油田平均值的85%升至97%；并形成年節(jié)約油田伴生氣8.13×104m3，折合人民幣12.2萬(wàn)元，償還周期僅需4.5年，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)油田生產(chǎn)領(lǐng)域在用工業(yè)鍋爐存在的不足，節(jié)能監(jiān)測(cè)人員有針對(duì)性地對(duì)部分工業(yè)鍋爐進(jìn)行了整改，通過整改前后測(cè)試數(shù)據(jù)表明，工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)大幅度下降，提高了工業(yè)鍋爐熱效率，取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。另外，對(duì)油田在用大部分使用年限長(zhǎng)、運(yùn)行負(fù)荷率偏低的工業(yè)鍋爐，分別在優(yōu)化運(yùn)行管理與引進(jìn)節(jié)能新技術(shù)等方面提出了建議。