实用型注汽锅炉热效率在线监测系统

马建国 张洪江 王东 柳庆新 李世武

1 现状

石油是重要的能源资源，它分为稀油和稠油两类，目前世界上可供开采的石油储量中，稠油所占比例高达约70%，稠油开采的地位日趋受到世界重视，将成为21世纪的重要能源[1]。我国有较为丰富的稠油资源，稠油开采已成为我国石油开采的重要组成部分。目前，世界上稠油开采的主要方式为稠油热采，稠油热采是世界上开采稠油最有效的方法。在稠油热采生产过程中，由注汽锅炉产生高温高压湿蒸汽，经过蒸汽管网将湿蒸汽从注汽锅炉输送到各稠油热注井口，然后再通过稠油井内的热注管筒将湿蒸汽灌注到地下的稠油油层中，对稠油油层加热、大幅降低稠油的黏度，使固体或难于流动的稠油变为可流动的稠油流体，再用抽油机将稠油从地下抽取上来。在稠油热采生产中，大量使用着注汽锅炉，注汽锅炉不仅是核心设备，而且还是稠油热采的重要耗能设备。要使稠油热采能够有效提高稠油的采收率和经济性，其中一个重要环节就是提高注汽锅炉的效能。

为了提高稠油热采的经济性和节能，应提高注汽锅炉的热效率。注汽锅炉的热效率是评价注汽锅炉性能的重要指标，它反映了注汽锅炉能量转换与利用的效能，即进入注汽锅炉中燃料化学能有多大比例被利用来加热水蒸气，它是注汽锅炉设计、制造、尤其是运行的重要评价指标。

提高注汽锅炉的热效率，就是提高注汽锅炉的有效利用热，根据稠油热采注汽过程的技术要求，注汽锅炉的出力（即热负荷）是经常变动的，尤其是注汽锅炉热效率受各种因素影响。当获知了注汽锅炉的热效率及各项热损失，就可对注汽锅炉热损失的成因以及如何提高热效率的途径进行了分析[2-8]，并在此基础了研究和开发注汽锅炉的在线监测监控系统[9-10]，从而实现使注汽锅炉在热效率高效区内运行。然而，现运行的注汽锅炉基本上都未装配热效率在线仪表来实时与在线揭示注汽锅炉的热效率，这为注汽锅炉操作人员的日常操作、工况调节、期望保持注汽锅炉长期在热效率高效区运行，都造成了相当大的技术难度。为了提高注汽锅炉的热效率，注汽锅炉操作人员期盼有注汽锅炉热效率在线检测系统，作为操作指导、现场揭示、方向明示的监测仪器和工具[11]。

为此，对如何建立注汽锅炉热效率在线监测系统这一问题进行研究，尤其是侧重这一在线监测系统的实用性与经济性，力图研究出一种实用且经济的注汽锅炉热效率在线监测系统。

2 技术方案

注汽锅炉热效率在线监测系统，不仅应能在线监测注汽锅炉的热效率，还能在线揭示注汽锅炉的排烟热损失、不完全燃烧损失、散热热损失、过量空气系数、负荷率、蒸汽干度等重要运行参数，并且还能为注汽锅炉的节能诊断和热效率的提高提供方向和途径，无论在任何负荷率工况下都能使注汽锅炉长期处在热效率高效区运行。然而，要达到上述这些功能，仅依靠注汽锅炉热效率在线监测系统是不够的，这就需要建立注汽锅炉在线经济运行系统。注汽锅炉在线经济运行运行系统，由于其研制成本和制造费用都很高，难于在稠油热采生产中推广和应用。稠油热采生产中，既很需要注汽锅炉热效率在线监测系统，又期望它经济与实用。为达到这一目标，注意到注汽锅炉具有如下三个特点，一是，注汽锅炉均装配了一些在线热工仪表，这些在线热工仪表为在线获知注汽锅炉热效率有辅助作用；二是，注汽锅炉产生的湿蒸汽，其蒸汽干度与注汽锅炉热效率相关，而蒸汽干度还是稠油热采效能的重要参数，然而，目前绝大多数注汽锅炉并没有装配在线测量蒸汽干度的仪表，仅有用化学滴定法人工离线化验蒸汽干度的现场采样设施；三是，注汽锅炉燃用的燃料主要为天然气（或燃油），而这类燃料的组分或热值在较长时间内可视为定值。若能充分利用注汽锅炉上述这三个特点，就可为研制经济实用的注汽锅炉热效率在线监测系统创造便利条件。

由上分析，制定了实用型注汽锅炉热效率在线监测系统的技术方案：以在线监测注汽锅炉热效率、排烟热损失、过量空气系数、排烟温度、负荷率、蒸汽干度为目标，以注汽锅炉标准配置的现场热工仪表为基础，充分利用注汽锅炉存在的三种便利条件，即注汽锅炉有可辅助热效率监测的部分在线热工仪表、注汽锅炉有可用化学滴定法人工离线化验蒸汽干度的现场采样设施、以及注汽锅炉燃用的燃料其组分或热值在较长时间内可视作定值，由此，再增补几个在线仪表和注汽锅炉热效率集算器，就组成了实用型注汽锅炉热效率在线监测系统（图1）。

3 在线监测系统的组成与结构

3.1 系统的组成与结构

以燃气注汽炉热效率在线测试系统为例，它由如下在线远传仪表组成：天然气流量、给水流量、给水温度、蒸汽压力、蒸汽温度、在线蒸汽干度仪、烟气温度、在线烟气仪、磁铁温度表、给风温度表、信号集成器和热效率监测仪。系统可充分利用注汽锅炉原油仪器仪表。燃气注汽锅炉监测系统仪表配备见表1。

图1 注汽锅炉热效率在线测试系统集成结构

表1 燃气注汽锅炉监测系统的仪表配备明细

为形成实用型燃气注汽锅炉热效率在线监测系统，增添了如下几个在线仪表，其中：在线烟气分析仪用来测量排烟口的烟气中氧气和一氧化碳体积量；在线蒸汽干度仪通过测试生水和炉水电导率，生水电导率表安装在给水采样管，炉水炉水电导率表安装在蒸汽冷凝水采样管，进而测定蒸汽干度；给风温度表安装在给风道上，用来测定给风温度或环境温度；还有磁铁温度表安放在炉体表面，测试炉体外表面温度等。

信号集成器和热效率监测仪整合在仪表箱内。它包括通信电缆、多路信号接口隔离器、多路AD转换器、CPU处理显示器、供电线和稳压直流电源。

图2 注汽锅炉热效率在线测试系统据计算及结果显示

稳压直流电源用供电线向信号接口隔离器、AD转换器和CPU处理显示器供电，多路信号接口隔离器输入接口分别与注汽锅炉标准配置的现场仪表和增添的现场仪表用通信电缆连接，再分别经输出接口用通信电缆与AD转换器的输入接口连接，AD转换器将这些仪表的4～20 mA模拟信号转换为数字信号并通过其输出接口送入CPU处理显示器中，CPU处理显示器按照系统模型进行数据处理计算及结果显示，如图2。

3.2 系统的计算模型

1）实时压力水焓和压力汽焓。按公式（1）、（2）分别计算出对应的实时压力水焓和实时压力汽焓：

式中：PZ——蒸汽压力表的实时蒸汽压力，MPa；

hW、hS——分别为压力时蒸汽压力的水焓和蒸汽焓，kJ/h；

A1、A2、A3、A4、A5——分别为饱和水焓系数，数值分别为1 511.41、39.87、-0.38、0.08、12.50；

B1、B2、B3、B4、B5——分别为干饱和蒸汽焓系数，数值分别为2 675.28、-22.58、-1.15、-0.05、12.50。

2）空气系数。对于燃（油）气锅炉空气系数主要与排烟处氧含量有关，计算公式为

式中：RF——注汽锅炉空气系数，无量纲；

VO2——烟气中体积含氧量，%。

3）排烟损失。对于燃气锅炉排烟损失主要与环境温度、排烟温度及空气系数有关，计算公式为

式中：qY——排烟损失，%；

TY、TF——分别为烟气温度和环境温度，℃。

4 结论

1）实用型注汽锅炉热效率在线监测系统，不仅能在线监测注汽锅炉热效率、空气系数、排烟温度、运行负荷率、蒸汽干度，还能揭示排烟热损失，并且还能指出提高注汽锅炉热效率的方向与途径；

2）实用型注汽锅炉热效率在线监测系统，可成为注汽锅炉操作人员日常操作、工况调节、不同注汽锅炉负荷率下仍保持在热效率高效区运行的有效工具；

3）实用型注汽锅炉热效率在线监测系统，由注汽锅炉标准配置的现场仪表、增添的烟气含氧量表、炉水电导率表、给风温度表、给水温度表、给水电导率表和热效率集算器组成。

4）实用型注汽锅炉热效率在线监测系统不仅造价低、而且实用性强，易于在稠油热采的注汽锅炉中推广应用。

克拉玛依油田风城采油作业区

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