稠油热采注汽锅炉经济运行调控技术研究

赵云献于丹丹牟蕾李炜郑炜博肖志勇

（1.胜利油田采油工程处；2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院；3.胜利石油管理局高级人才培训中心党校；4.胜利油田技术检测中心）

稠油热采注汽锅炉经济运行调控技术研究

赵云献1于丹丹2牟蕾3李炜4郑炜博4肖志勇4

（1.胜利油田采油工程处；2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院；3.胜利石油管理局高级人才培训中心党校；4.胜利油田技术检测中心）

通过对胜利油田注汽锅炉的热平衡测算结果进行分析，得出注汽锅炉的主要热损失为排烟热损失和散热损失，影响热损失的主要因素为过剩空气系数、排烟温度和炉体保温技术。针对油田某注汽锅炉，设计了热效率优化方案并进行试验，采取了烟气余热回收、炉膛盘管清灰清垢、调节过剩空气系数、改进炉体保温性能等措施，达到了预期的节能效果。

注汽锅炉热效率排烟温度过剩空气系数

引言

注汽锅炉是制取蒸汽、热采开发稠油的关键设备，在稠油热采中发挥着举足轻重的作用，是油田热采中耗能最大的设备之一。随着稠油开采规模的逐年加大，对注汽锅炉的安全和经济运行提出了更高的要求。据国外统计，注汽锅炉所消耗燃料约占采油量的1/3［1］。这就表明，注蒸汽热力采油是一种高投入、高成本的开发工艺。目前，胜利油田的注汽锅炉由于运行时间较长，运行状况普遍下降。测试结果显示，大部分锅炉的热效率偏低，未达到设计要求，平均热效率在86%左右，与美国、加拿大等发达国家的注汽锅炉相比低4%～7%。注汽锅炉的热效率降低，必然导致锅炉能耗增加，影响稠油热采的开发效果和经济效益。因此，优化注汽锅炉的运行，降低稠油开采成本、提高热采效益。

1　油田注汽锅炉热损失分析

注汽锅炉在正常运行的条件下，其热损耗主要表现在3个方面。

1.1排烟热损失

根据我国工业锅炉排烟标准，容量在6t/h以上的锅炉，排烟温度要小于或等于180℃。目前实际运行的注汽锅炉，排烟温度一般在140～270℃，有些甚至更高。这样高温度的烟气排出，有一部分热量会浪费而造成排烟热损失。排烟热损失是油田注汽锅炉各项热损失中最大的一项，约占锅炉总热损失的80%。图1是胜利油田35台注汽锅炉的排烟热损失与注汽锅炉热效率的关系。由图可知，排烟热损失是影响注汽锅炉热效率的最大因素，是提高注汽锅炉热效率主要的挖潜方向。

图1　注汽锅炉热效率与排烟热损失的关系

影响注汽锅炉排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟体积。排烟热损失可根据如下经验公式计算［2］：

q2=（0.5+0.5α）（tpy-t0）（1）

式中：q2为排烟热损失，J；α为过剩空气系数；tpy为排烟温度，℃； t0为排烟处空气温度，℃。

注汽锅炉的排烟温度越高，排烟体积越大，排烟热损失就越大，运行热效率下降。一般来说，注汽锅炉的过剩空气系数增大就会导致排烟体积增多，过剩空气系数每增加0.1，锅炉运行热效率会降低1%左右。但是过剩空气系数过小，燃料不能充分燃烧，锅炉效率也会下降，同时还会引起环境污染。图2为过剩空气系数对排烟热损失和锅炉热效率的影响。胜利油田35台注汽锅炉目前的平均空气系数为1.27，过剩空气系数的合格率仅为54.3%，锅炉运行存在的主要问题为过剩空气系数超标。因此，将过剩空气系数控制在合理的范围之内，是提高锅炉热效率的重要手段。

图2　过剩空气系数对排烟热损失及注汽锅炉热效率的影响

排烟温度每升高12～15℃，注汽锅炉的排烟热损失将提高1%［3］。图3为35台注汽锅炉的排烟温度对热效率的影响。35台锅炉平均排烟温度为211.6℃，排烟温度合格率为60.0%。由图可见，随着排烟温度的升高，注汽锅炉的热效率虽然由于投产年限等其他因素的影响有所波动，但总体呈下降趋势，说明排烟温度高也是影响注汽锅炉热效率的主要因素之一。所以，还应尽量设法降低排烟温度。有研究发现，按照目前实际运行的注汽锅炉排烟温度，若使其降至标准排烟温度，大部分将会降低50℃左右，相应热效率将提高2%～3%。

图3　排烟温度对注汽锅炉热效率的影响

1.2炉体散热损失

在注汽锅炉运行过程中，锅炉各部分炉墙、管道、钢架和其他附件等的表面温度比周围环境温度高，这样一部分热量不可避免地以对流、辐射的方式散失到周围环境中，造成锅炉的散热损失。胜利油田35台锅炉的平均表面温度为45.2℃，表面温度合格率为100%，平均散热损失1.44%，占锅炉总损失的12.1%。图4为不同锅炉散热损失与热效率之间的关系。由图可见，炉体散热损失是影响注汽锅炉热效率的另一敏感因素。散热损失的大小主要决定于锅炉散热表面积的大小、保温层的性能和厚度以及周围环境温度等因素。

图4　不同锅炉的散热损失与热效率

1.3未完全燃烧热损失

未完全燃烧热损失包括化学未完全燃烧热损失和机械未完全燃烧热损失。化学未完全燃烧热损失主要是由于烟气中含有残余的可燃气体所造成的。烟气中可燃气体含量越高，化学未完全燃烧热损失越大。影响烟气中可燃气体含量的主要因素包括炉内过剩空气系数、炉膛温度以及炉内空气动力工况等。机械未完全燃烧热损失主要是由于锅炉排灰中含有未燃尽的炭所造成。对于燃油和燃气锅炉，一般认为此项损失为0。

2　优化生产参数及运行方案

通过分析，若想提高注汽锅炉的热效率从而使注汽锅炉更加经济地运行，就要从降低排烟热损失、散热损失和未完全燃烧热损失入手。胜利油田目前所用注汽锅炉均为燃油或燃气锅炉，平均未完全燃烧热损失为0，因此主要的提效方向是降低排烟热损失和散热损失。结合油田实际情况，选定油田某燃油注汽锅炉进行优化整改。

2.1优化整改措施

2.1.1烟气余热回收

对注汽锅炉烟气余热的回收利用主要有三种途径：烟气余热预热空气、烟气余热预热燃油、烟气余热预热给水［4］。由于注汽锅炉为卧式锅炉，若采用烟气余热预热空气技术，则需要建立庞大的风道系统，占地面积大，检查维修不便；而若采用烟气余热预热给水技术工艺，虽投资小，工艺简单，但提高热效率效果不够理想；因此经对比，选择了烟气余热预热燃油技术。图5为系统模型［5］。图中，余热利用设备收集锅炉的烟气余热后，将其中一部分能量Qhs来预热燃油，之后随注入能Qs一起进入锅炉为其所用。

图5　烟气余热预热燃油系统模型

2.1.2炉膛盘管清灰清垢

胜利油田的燃油注汽锅炉大多采用渣油，由于渣油的组分复杂，且沥青含量较高，燃烧后会有大量灰渣残留，这些灰渣大部分沉积在炉膛盘管上，随着时间的推移逐渐积厚，严重影响受热面的传热，从而导致排烟温度过高。因此，对该加热炉进行炉膛盘管积灰、结垢等方面的检查，对烟垢做取样分析，确定除垢剂的化学成分和配方，利用化学除垢剂配合吹灰装置清理炉膛的积灰，提高锅炉的换热能力和保温能力，降低排烟温度。

2.1.3过剩空气系数的调节

油田注汽锅炉的过剩空气系数超标的主要原因是没有对含氧量进行实时监控，锅炉日常运行调控不合理，而排烟温度的高低又和过剩空气系数密切相关，因此通过降低过剩空气系数来降低排烟热损失，才能使锅炉的效率有较大的提高。此次通过调节风机挡板来调节该锅炉的过剩空气系数，将过剩空气系数保持在1.15左右，从而提高注汽锅炉的热效率。

2.1.4炉体保温技术

油田现有锅炉所采用的保温结构普遍为硅酸铝纤维棉喷涂，其表面温度虽均在标准范围内，但随着使用年限的增加，现有的保温材料均出现了不同程度的老化现象，保温纤维逐渐流失，导致炉体的散热损失升高。此外，由于锅炉内上半部分的烟气温度较高，导致炉体上部的表面温度较下部高，在保温层厚度相同的条件下，上部散热损失较大。因此，对目标锅炉的炉体保温材料进行了检验和修复更换，并加厚了上部的保温材料。

2.2优化前后生产参数对比

通过对油田某燃油注汽锅炉生产参数进行优化整改，实现了年节约燃油394.6t。优化前后生产参数对比见表1。

表1　优化前后生产参数对比

3　结论

1）注汽锅炉的热损失主要体现在排烟热损失、散热损失和未完全燃烧热损失三方面，对于燃油注汽锅炉，未完全燃烧热损失可认为0。

2）影响排烟热损失的主要因素包括过剩空气系数的大小和排烟温度的高低，影响散热损失的主要因素是炉体的保温性能。

3）选定胜利油田某燃油注汽锅炉进行提效整改，通过烟气余热回收、炉膛盘管清灰清垢、调节过剩空气系数等手段降低了排烟热损失，通过更换加厚保温材料降低了散热损失。

4）通过现场试验，优化方案提高了目标燃油注汽锅炉5.6%的热效率，在设计、运行和节能效果上达到了预期的要求。

［1］朱荣东，魏建才，王亦凌，等.通过优化注汽锅炉雾化喷嘴运行参数提高注汽锅炉热效率［J］.机械，2004（6）：65-67.

［2］刘铁哲.优化最佳过量空气系数提高注汽锅炉热效率［J］.石油石化节能，2014，4（3）：12-13.

［3］施益昌.通过控制过量空气系数提高注汽锅炉热效率［J］.管道技术与设备，2004（1）：16-17.

［4］余兰，宋兴海.燃油注汽锅炉烟气余热回收技术［J］.节能技术，2005（1）：85-86.

［5］邓寿禄.锅炉烟气余热不同用途的热分析模型及节能评价指标的计算方法［J］.节能，2002（12）：10-12.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.003.001

2014-12-18）

赵云献，工程师，2003年毕业于大庆石油学院，从事稠油热采研究工作，E-mail：zhaoyunxian078.slyt@sinopec.com，地址：山东省东营市东营区济南路258号，257000。