油田注汽锅炉系统节能降耗改造前景分析

刘波（辽河油田公司金马油田开发公司）

热力采油技术是将饱和湿蒸汽注入稠油油层以降低其黏度，从而依靠机械举升方式将稠油输送至地面的一种开采方法，主要分为蒸汽吞吐和蒸汽驱动两种方式，其核心设备为注汽锅炉。现阶段油田注汽锅炉主要以原油或天然气为燃料，属油田勘探开发中高耗能高成本的生产设备之一。以辽河油田为例，大多数的注汽锅炉使用寿命已超过10年，甚至部分已经超过20年。操作控制系统的滞后和设备的老化导致注汽锅炉无法达到出厂时设计热效率的要求，所以，降低注汽锅炉的燃料损耗，优化注汽锅炉燃料结构，减少注汽成本在稠油热采损耗总成本中的比重，是未来重质油高效勘探开发的必然方向[1]。

1 注汽锅炉燃料与热损失分析

以原油为燃料时燃料损耗大，从稠油操作成本构成分析，燃料费约占30%～40%。燃油的主要缺点是导致炉管特别是对流段积灰腐蚀严重，炉管积灰腐蚀主要有两方面危害：首先，积灰严重阻碍烟气冲刷翅片管，降低传热效果，制约注汽锅炉本身的热效率；其次，增加锅炉的维护成本，需定期清灰吹灰和更换炉管，否则注汽锅炉运行的安全性和热效率都无法保障[2]。

以天然气为燃料时，额定蒸发量为23t/h的燃气消耗量约为1200m3/h，现阶段天然气价格持续上涨，且天然气供给城市民用的比重持续走高，为响应国家政策并保持城市清洁能源的使用，工业天然气消耗也受到一定制约。

注汽锅炉的热损失主要包括排烟热损失、机械不完全燃烧损失、化学不完全燃烧损失和锅炉向外环境散热损失，其热损失占锅炉总损失的80%。注汽锅炉设计排烟温度燃气时不高于180℃，燃油时不高于240℃。在现阶段的实际生产过程中，锅炉的排烟温度无法达到这个要求，导致排烟热损失超出设计要求，更多的燃料发热量排放到大气中，造成能源的浪费和大气的污染[3]。

2 改造方案研究和分析

针对注汽锅炉系统在实际生产中高能耗的现状，综合研究稠油热采注汽系统所遭遇的瓶颈，并结合对锅炉流程燃料结构进行挖潜增效分析，总结出注汽锅炉节能降耗的方法，即：利用热管技术将锅炉尾气余热回收利用；优化注汽锅炉燃料结构；利用新工艺清除积灰积垢。

2.1 利用热管技术回收烟气余热加热锅炉给水

燃油时注汽锅炉平均排烟温度能达到280～320℃，燃气时平均排烟温度约为200～240℃。注汽锅炉烟气余热在原理上可以用余热伴热燃料油，助燃空气和给水。燃油工艺流程中油侧换热系数较低且流动性差，对伴热介质的温度和品质要求较高，燃油流程架高至对流段高度对供油泵和管线的要求都很高，易造成油压不足和油路凝堵的现象；用烟气余热伴热助燃空气在原理上可以提高送风的热焓值，有助于提高炉膛温度和促进燃料充分燃烧，但注汽锅炉要求瓦口温度不能过高，以免过热损坏瓦口附近的仪表设备、线路和鼓风胶囊[4]。

经过综合分析，用回收热管烟气余热伴热锅炉给水是最优选择。烟气余热预热给水方式工艺简单，投资少、见效快，对降低锅炉排烟热损失、提高热效率有明显作用。锅炉给水加热后温度约为50～60℃，处于水腐蚀金属最严重的温度段，所以对于热管材质的筛选也尤为重要。另外，经加热后的给水不能超过柱塞泵允许的温度上限，以免损坏泵配件，所以开发耐高温的柱塞泵阀片、水封等配件也是非常必要的。

软化水经生水泵增压后进入热管换热器进行换热，之后输送到柱塞泵，另设一旁通直接进入柱塞泵，以便于通过调节受热给水流量来控制柱塞泵前给水温度，泵前设温度表，便于监测给水温度，以免温度过高损坏泵体配件。热管换热器中烟气横向冲刷给水管线，温度降低。据分析，注汽锅炉排烟温度每降低20℃，热效率提高1%，应用此工艺流程进行余热回收可明显降低排烟温度，减少热损失[5]。

2.2 优化注汽锅炉燃料结构

注汽锅炉运行时消耗大量的原油或天然气，最好的改变燃料高消耗、高成本的方法就是用水煤浆代替其他燃料。

用水煤浆作为注汽锅炉燃料主要面临以下技术问题：

1）如何完成水煤浆的生产和运输过程。煤是一种价格较低廉且污染严重的燃料，将煤合理有效地清洁利用主要取决于设备工艺，所以应在完善工艺流程的同时尽量降低设备改造成本。

2）如何完善点火和控制系统。燃烧水煤浆仍需保留引燃系统，通过燃料气作为引燃水煤浆的火源，水煤浆较燃油不易点燃，需增大引燃气压力和流量来完成点火过程；为保证水煤浆的燃烧达到最佳效果，须对炉膛压力、烟气含氧量和供浆系统实现自动控制，同时，与原锅炉的控制系统保持一致，使锅炉能够在一个最佳的状态下运行[6]。

3）如何改良吹灰排灰系统。以水煤浆为燃料的积灰量较大，需采用有效、省时、成本低廉的除灰方式将灰渣排出，否则积灰过多会严重影响传热效果。

2.3 开发新工艺清除积灰积垢

注汽锅炉炉管特别是对流段翅片管部分，管距较小，翅片管肋片间距较小，烟气温度恰好处在易结垢积灰的范围，此处积灰最多最密实。对流段积灰不仅阻碍烟气流通，而且影响工质与烟气的对流换热，使烟气温度明显升高。传统除灰方式是通过一定压力空气或水来冲刷炉管表面，这样只能清除表面酥松的积灰，无法清除累积已久的烟垢，所以必须探究有效的化学药剂清洗冲刷翅片管，在不腐蚀炉管材质的前提下将灰垢彻底清除[7-8]。

通过现场监测和分析，对燃油、烟垢做取样分析。针对烟垢的组成和特点进行化学分析，确定除垢剂的化学性能与成分，从而研发有效的除垢试剂。研制除垢剂的关键是如何使附在受热表面上的烟垢在它的作用下变得像积灰一样松脆、易脱落。通过试验选出理想有效的化学药剂，使其在一定温度或其他条件作用下与烟垢发生化学反应，最后达到除垢、清垢、防垢的目的。

3 结论

1）利用热管换热器回收注汽锅炉烟气余热并加热泵前给水，可以降低排烟温度，减少热损失，是注汽锅炉节能降耗的有效途径。

2）利用价格低廉的能源和设备改造简捷的工艺应用于注汽锅炉，是能源形势愈发严峻条件下的必然选择。

3）开发新工艺，改变传统除灰清灰方法，也是提高注汽锅炉热效率的有效方式。

[1]张奎,林森木,王树静.中国能源投资导览[M].北京:中国言实出版社,2003：1-5.

[2]刘继和,孙素凤.注汽锅炉[M].3版.北京：石油工业出版社,2007：6-10.

[3]栾海波,胡顺铭.油田注汽锅炉烟气余热利用与低碳减排[J].油气田环境保护,2012,22(4)：4-5.

[4]任国利,范新霞,王思玉.热管技术在油田注汽锅炉上的研究与应用[J].承德石油高等专科学校学报,2001,3(1)：8-10.

[5]马强.油田注汽锅炉烟气余热利用与低碳减排[C].//低碳经济与石油石化未来论文集.沈阳:辽宁省石油石化学会,2011:153-155.

[6]周建平.稠油热采注汽锅炉节能减排措施实践[J].油气田环境保护,2011,21(2)：22-25.

[7]方云.稠油热采锅炉节能降耗技术[J].油气田地面工程,2008,27(3)：58-59.

[8]李铁栓.注汽锅炉的脉冲吹灰[J].油气田地面工程,2011,30(6)：51-52.