油田注汽锅炉蒸汽参数的热力学分析

董珊珊，王为民, 刘广鑫，陈顺江, 张 鑫，贾冯睿，赵桐

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001；2. 辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部， 辽宁 抚顺 113001； 3. 黑龙江省海林林业局， 黑龙江 牡丹江 157100）

油田注汽锅炉蒸汽参数的热力学分析

董珊珊1，王为民1, 刘广鑫1，陈顺江1, 张 鑫2，贾冯睿1，赵桐3

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001；2. 辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部， 辽宁 抚顺 113001； 3. 黑龙江省海林林业局， 黑龙江 牡丹江 157100）

针对油田注汽锅炉能耗过高问题，运用“黑箱”模型分析方法，建立了注汽锅炉火用分析模型，对国内某油田注汽锅炉进行了火用效率和热效率计算。分析了蒸汽压力、蒸汽干度和蒸汽蒸发量3个影响油田注汽锅炉火用效率和热效率的影响因素及其变化规律。研究表明，火用效率和热效率随蒸汽压力、蒸汽干度的增大而降低，随蒸汽蒸发量的增大而升高。其中，蒸汽蒸发量对锅炉火用效率和热效率影响最大，蒸汽蒸发量每增大0.2 t/h，锅炉火用效率增大约为0.30%，热效率增大约为0.70%。

注汽锅炉；蒸汽参数；火用效率；热效率

在我国稠油资源的储量约占我国石油总储量的70%，稠油的高效开采和有效利用正逐渐成为油田采油的研究重点。注汽锅炉是油田热力开采稠油最重要的设备之一，也是油田主要的耗能设备之一，其能耗约占油田热力采油系统总能耗的 70%[1]。因此，针对油田注汽锅炉的热力研究，特别是关于注汽锅炉㶲效率和热效率的研究，可合理优化油田注汽锅炉工作参数，对降低油田热力采油系统能耗具有重要意义。

从热力学角度出发，㶲通常作为直接衡量能量做功能力的参数[2]，㶲效率是指系统输出㶲和收益㶲的比值，㶲效率的高低直接反应了系统热能的有效利用率。目前，国内外学者针对㶲效率进行了大量研究。王志国等通过建立㶲分析模型，提出了NGL深冷分离装置的火用分析模型[3]；Rongling Li等运用㶲分析的特征模型，研究了空气源热泵系统的㶲概念[4]；李亚奇等运用有限时间热力学法，研究了蝶式集热器驱动斯特林热机系统的㶲效率[5]；马一太等以热泵系统的㶲平衡方程为依据，研究了压缩式热泵的㶲效率的全新定义[6]；陈雁等建立了地埋管地热源系统的源侧热力分析模型，开展了地埋管地源热泵系统的㶲分析[7]。然而鲜有针对注汽锅炉㶲效率的研究。基于此，本文拟通过建立注汽锅炉“黑箱”㶲分析模型，建立了油田注汽锅炉㶲效率和热效率计算方程，并对国内某油田注汽锅炉㶲效率和热效率进行了计算，系统分析了影响注汽锅炉蒸汽参数对㶲效率和热效率的影响因素及其变化规律。以期为降低油田热力采油系统的能耗提供一定的理论基础。

1 注汽锅炉㶲分析模型的建立

在热力学研究过程中，通常将研究对象（可包括被研究系统、子系统或者所研究的单个设备）视为由“不透明”的边界所包围的体系，通过相关参数计算输入、输出体系的能流或物流的㶲值，从而得出研究对象的的供给㶲、有效㶲及损失㶲，即为黑箱分析[8]。

1.1 注汽锅炉㶲分析模型的建立

为了方便了解注汽锅炉的能量流动及㶲效率分析，应用黑箱模型如图1所示，进行注汽锅炉㶲效率和热效率的研究。

图1 注汽锅炉系统的黑箱模型Fig.1 The black box model of steam injection boiler system

1.2 注汽锅炉㶲效率和热效率计算方程的建立

注汽锅炉的供给㶲为

式中：Exf—注汽锅炉的燃料㶲，kJ/h；

Exr—进入注汽锅炉空气的物理显㶲，kJ/h。

注汽锅炉子系统有效㶲为：

式中：Exq—注汽锅炉产生蒸汽的㶲，kJ/h；

Exs—进入注汽锅炉给水的㶲，kJ/h。

注汽锅炉子系统㶲损为：

式中：ExTy— 注汽锅炉子系统的排烟㶲损，kJ/h；

Ir—注汽锅炉燃烧不可逆的内部㶲损失，kJ/h；

I0—注汽锅炉其他外部㶲损失，kJ/h；

Ic—注汽锅炉传热㶲损失，kJ/h。

注汽锅炉子系统的㶲效率为：

注汽锅炉子系统的能损系数为：

且有

1.3 计算实例

以国内某油田23 t/h注汽锅炉为例，利用注汽锅炉主要参数如表1所示，对其进行㶲效率和热效率计算，㶲计算结果详见表2，热效率计算结果如详见表3。

表1 23 t/h注汽锅炉主要参数表Table 1 Main parameters of 23 t/h steam injection boiler

表2 注汽锅炉系统㶲效率计算结果Table 2 Steam injection boiler system exergy efficiency calculation results

表3 注汽锅炉系统热效率计算结果Table 3 Steam injection boiler system thermal efficiency calculation results

2 注汽锅炉㶲效率和热效率影响因素分析

2.1 蒸汽压力对注汽锅炉㶲效率和热效率影响

改变表1中蒸汽压力大小分别在71～21.5 MPa间变化，其他参数不变，分别计算注汽锅炉的㶲效率和热效率，得出蒸汽压力与锅炉㶲效率、热效率关系如图2所示。

图2 蒸汽压力与锅炉㶲效率和热效率关系图Fig.2 Relational graph of the steam pressure and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析图2可知，整体上注汽锅炉㶲效率、热效率随蒸汽压力增大而减小。当蒸汽压力大于17 MPa小于21 MPa，随蒸汽压力增大，锅炉㶲效率和热效率下降速率较大，且压力每增大 0.5 MPa，㶲效率降低约 0.23%，热效率降低约 0.53%；当压力大于21 MPa后，随压力增大，锅炉的㶲效率、热效率几乎不发生变化。虽然，在理论上，蒸汽压力越大锅炉的㶲效率和热效率越低，但是由于产出蒸汽需要注入地下需要一定的压力[9]，因此，在实际生产中蒸汽压力通常为2 021 MPa。

2.2 蒸汽干度对注汽锅炉㶲效率和热效率影响

利用表 1中数据，分别计算蒸汽干度在55%～100%之间注汽锅炉的㶲效率和热效率，计算结果如图3所示。

图3 蒸汽干度与锅炉㶲效率和热效率关系图Fig.3 Relational graph of the steam dryness and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析图3可知，蒸汽干度与锅炉㶲效率、热效率之间基本呈线性关系，且随蒸汽干度的增大，锅炉㶲效率和热效率都逐步降低。经计算可得，蒸汽干度每增大5%，锅炉㶲效率降低约0.06%，热效率下降约0.39%。蒸汽干度作为稠油开采过程中最重要的参数之一[10-11]，当蒸汽干度过低时会严重影响稠油开采的效率，因此，油田蒸汽干度通常约为80%。

2.3 蒸汽蒸发量对注汽锅炉㶲效率和热效率的影响

在保持表1中其他参数不变的情况下，分别计算锅炉蒸发量在23.0～24.8 t/h区间变化时，注汽锅炉㶲效率和热效率，其计算结果如图4所示。

图4 蒸汽蒸发量与锅炉㶲效率和热效率关系图Fig.4 Relational graph of the steam evaporation and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析图4可知，注汽锅炉蒸汽蒸发量与锅炉㶲效率、热效率之间基本呈线性关系，且锅炉㶲效率、热效率随蒸汽蒸发量增大而增大。蒸汽蒸发量每增大0.2 t/h，锅炉㶲效率增大约为0.30%，热效率增大约为 0.70%。由此可见，蒸汽蒸发量越大锅炉㶲效率和热效率越高。通常情况下，锅炉蒸汽蒸发量大小由生产过程中蒸汽用量决定。

3 结 论

（1）注汽锅炉蒸汽参数中影响注汽锅炉㶲效率和热效率的主要影响因素为蒸汽压力蒸汽干度和蒸汽蒸发量3个影响因素。锅炉㶲效率和热效率随着蒸汽压力、蒸汽干度的增大而减小；随着蒸汽蒸发量的增大而增大。

（2）3个影响因素中，蒸汽蒸发量对注汽锅炉㶲效率和热效率影响最大，蒸汽压力影响次之，蒸汽干度影响最小。

（3）蒸汽蒸发量对注汽锅炉㶲效率和热效率影响最大，蒸汽蒸发量每增大0.2 t/h，锅炉㶲效率增大约为0.30%，热效率增大约为0.70%。

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Thermodynamic Analysis on Steam Parameters of the Steam Boiler

DONG Shan-shan1，WANG Wei-min1，LIU Guang-xin1,CHEN Shun-jiang1，ZHANG Xin2, JIA Feng-rui1，ZHAO Tong3
（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. College of Chemistry,Chemical Engineering and Environment Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China; 3. Heilongjiang Hailin Forestry Bureau , Heilongjiang Mudanjiang 157100，China）

Aiming at the problem of high energy consumption in the steam boiler, exergy analysis model of the steam boiler was established by "black box" model analysis method. Exergy efficiency and thermal efficiency of the steam boiler in a domestic oilfield were calculated. The influence of the steam pressure, the steam quality and the steam evaporation on the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler was investigated. The research results show that, with increasing of the steam pressure and steam quality, the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler decrease; but with increasing of the steam evaporation, the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler increase. Among them, influence of the steam evaporation on the exergy efficiency and thermal efficiency of the boiler is the greatest; when the steam evaporation increases 0.2 t/h,the exergy efficiency of the steam boiler increases by about 0.30%, the thermal efficiency increases by about 0.70%.

Steam boiler; Steam parameters; Exergy efficiency; Thermal efficiency

TK 222

A

1671-0460（2014）11-2339-04

2014-04-03

董珊珊（1989-），女，河北秦皇岛人，在读硕士，辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，研究方向：油田稠油采集效率研究。E-mail：13898321964@163.com。