浅谈辽河油田注汽锅炉余热回收应用

柴京伟

摘要：

辽河油田是全国最大的稠油生产基地，稠油产量占总产量的70%左右。目前稠油开采主要采取蒸汽吞吐、蒸汽驱和SAGD等方式，现有固定式或移动式注汽锅炉三百多台，大部分注汽锅炉是2000年前投产使用的老锅炉，随着运行时间的增长，注汽锅炉燃烧器老化问题最为严重，部分锅炉燃烧器使用年限在24年以上，并且锅炉排烟温度达到270℃，锅炉热效率低（生产单位核算热效率平均为79.9-84.1%），因此降低排烟温度是提高锅炉热效率的途径之一。本文通过选用新型设备，对注汽站注汽锅炉烟气系统进行改造，流程中增加烟气余热回收设备，降低排烟温度，提高锅炉热效率，为辽河油田注汽锅炉节能能源开辟新的思路。

关键词：注汽现状；设计方案；效率计算

中图分类号：TK229文献标识码： A

1.注汽现状

锦州采油厂、特种油开发公司、金马油田为辽河油田三个稠油生产厂，拥有固定式、移动式注汽锅炉146台，特别是金马油田的注汽锅炉，运行时间较长，锅炉排烟温度高（平均为260/270℃），浪费能源，污染环境。结合金马油田大七站、大三站和大二站3处注汽站烟气温度高，并且烟气流量大的特点，进行注汽炉烟气余热回收改造，利用烟气的余热对柱塞泵前的锅炉给水进行加热，以达到节能降耗的目的。

本文相关技术参数如下：水流量按18-20吨/小时，入口水温按35-40℃考虑；注汽站锅炉排烟温度按200℃，烟气流量对应注汽锅炉产汽能力，相应地，10吨锅炉的烟气流量为10000Nm3/h，依次，20吨锅炉的烟气流量为20000Nm3/h。

2.设计方案

综合考虑北京市中科天一环境技术有限公司的蜂窝板式换热器质量轻，比表面积大，换热能力强、以及中国科学院工程热物理研究所的新型高效换热管传热技术，该技术可以有效控制壁温，确保组合换热系统整体换热能力强，重量轻，不发生露点腐蚀等优点。其结构形式如图1所示。

图1 新型组合式注汽炉余热回收系统

该系统的蜂窝板式传热元件为左右两排各7块串联组合而成，组合成抽屉式。该系统的新型传热元件是由长2.0m的外翅片管复合内部光管、中间添加传热工质构成。其在余热回收系统的排列方式为：前3排29/28/29），后2排16/17共120根。外翅片管的光管为Φ32×2.5，翅片高15，翅片间距5，翅片厚度1.0，新型传热元件的内管为Φ16×2.0的光管。新型传热元件均采用正三角形排列方式，其中心距为76。

整个系统的烟气流动方式为：高温烟气首先横掠新型传热元件的前3排，温度有所降低。随后分3路，左右两路横掠蜂窝板式传热元件，中间1路横掠后2排新型传热元件。整个系统的水路流动方式为：经过处理的锅炉给水首先依次串联经过前3排新型传热元件中的各排内管，在各排管内，水流量并联进行分配；随后进入到后2排组合成一个系统的34根内管；被加热的水温达到50℃以上进入到左右两排的蜂窝板式传热元件内再次提温，最后进入到柱塞泵前。

图2 余热回收系统与注汽炉的相对位置关系

图2为本余热回收系统与注汽炉的位置关系。截留注汽锅炉烟囱，让温度较高的排烟进入到组合式注汽炉余热回收系统，进行能量交换后，烟气温度降低排入大气。考虑余热回收系统的阻力降，采用组合地基形式，将换热器支撑在截留烟囱对应的高度，形成空气预热器撬装设备（锅炉房部分外）。

3.热设计方案设计

综合上面提到的换热结构和传热方式，给出本设计方案中的热设计方案和阻力计算结果。

烟气流过隔板的一侧，将热量传给带有翅片的热管，并通过热管将热量传至另一侧。烟气沿流动的方向不断被冷却。原则上可以把新型传热元件群看成是一块热阻很小的“间壁”，烟气通过“间壁”的一侧不断冷却，冷流体通过“间壁”的另一侧不断被加热，因而热管换热器的设计计算基本上与常规间壁式换热器的计算方法相同，现在就热管换热器的传热路线进行逐段分析。

3.1.肋片导热

一般热管换热器的热管外部总带有翅片，增大换热面积，弥补换热时传热系数小的缺陷。但是并非所加翅片并非全部有效，如图3所示，沿热流方向翅片本身存在温度梯度，因而长引进肋效率（肋片效率）的概念。

图3 翅片扩展散热

图4翅片效率

查阅相关文献可知，这里的是翅片高，是流体对翅片管的换热系数，是翅片材料的热导率，是翅片厚度，是翅片的外半径，是管子的外半径，图4表示出在不同的情况下随的变化情况。由图4可见，当一定时，越大，则越低，故翅片太高并不有利，一般热管翅片的高度取管子的外半径。另一方面还可看出，大，则也大，故翅片过薄不仅不耐腐蚀，而且效率也不高。

3.2.翅片管的传热

图5 翅片管传热

在图5中管外流体温度为,管内流体温度为，管子外壁面温度为,管子内表面温度为，为管外流体的换热系数，为管内流体的换热系数。在稳态传热时可列出以下的方程式（设）:

(1)烟气传热给管外表面

(2)

(2)热量从外管壁传到内管壁(为简便计，将圆管看成为平壁导热，当

时，可作为平壁计算，一般热管均满足此条件)

(3)

式中，为以管子中径为基准的圆管面积；为管材的热导率；为管壁厚度。

(3)热量从内管壁传到管内流体

(4)

式中，为管子内表面积。

将式子(2)-式(4)3式整理后可得

(5)

其中

(6)

式中，A为基准的传热面积。U对不同的计算基准面有不同的值，对于以翅片侧总面积而言的肋壁传热系数为：

(7)

式中，,此时有

(8)

对于以光管表面积而言，肋壁传热系数为

(9)

此时

(10)

4、热效率计算

对回收热效率的定义，有两套模式，具体如下：

模式1：采用余热回收方式将40℃，0.4MPa的水提升到65℃所吸收的能量，占从40℃，10Mpa的水提升到313℃所需要的总量的比率。

Δh1=h60℃-h40℃=251.5-167.88=83.62kJ/kg

Δh2=h302℃-h40℃=1354.385-175.743=1178.642kJ/kg

由此，余热回收的节能率

模式2：采用余热回收方式将40℃，0.4MPa的水提升到65℃所吸收的能量，与燃气燃烧所产生的总能量的比值

根据这个定义，模式2的节能效率为模式1的节能效率与实际锅炉效率的乘积。

结论：

经计算，本项目理论上能实现节能降耗，效率提高很多。对于辽河油田确保生产、增加收入，也有着社会效益，现场试验及使用证明，本技术应用实现了节能减排、降本增效，建议在更大的范围推广应用。