油田注汽锅炉能效评价方法探讨

万喜军 陈敏（新疆工程技术研究所）

1 现状分析

1.1 油田注汽锅炉

油田注汽锅炉（蒸汽发生器）是稠油注蒸汽开采的主要设备，按照生产蒸汽的性质，主要分为两种：第一种是常规油田注汽锅炉，生产湿饱和蒸汽，干度80%，额定蒸发量7～22.5 t/h，设计热效率大于或等于85%；第二种是过热油田注汽锅炉，生产过热蒸汽，过热度为5～23℃，额定蒸发量9～22.5 t/h，设计热效率大于或等于90%。运行10年以上的油田注汽锅炉热效率大部分低于90%，主要表现为排烟热损失大，对其进行节能监测评价主要包括锅炉热效率、排烟温度、空气系数、表面温度四方面[1-6]。

油田注汽锅炉的耗电设备主要是给水泵与风机，给水泵的电动机功率75～160 kW，鼓风机的功率37～75 kW，部分配备有烟气预热回收装置的锅炉，安装有引风机，功率约11～22 kW，电能的消耗独立计量。

目前，油田注汽锅炉运行时，其本身要消耗一部分蒸汽（例如注汽站供暖及管线伴热）和电能（水泵，风机等），然而，采用正反平衡热效率评价的油田注汽锅炉能耗指标为不扣除自用蒸汽和辅机设备耗动力折算热量的效率。

1.2 检测现状

工业锅炉热工试验标准是从JB 2829—1980、JB 2829—1988《工业锅炉热工试验》、GB 10180—1988《工业锅炉热工试验规范》至GB/T 10180—2003《工业锅炉热工性能试验规程》一步步演变过来的。2011年之前，油田注汽锅炉的热工测试主要依据GB/T 10180《工业锅炉热工测试规范》、TSG G0003—2010《工业锅炉能效测试与评价规则》、TSG G0002—2010《锅炉节能技术监督管理规程》与检测单位自行制定的测试规范来进行；但GB/T 10180标准仅规定了小于3.8 MPa的所有蒸汽锅炉和热水锅炉，其中包括：过热蒸汽锅炉，真空锅炉，常压锅炉和小型锅炉的热工性能试验方法。而油田注汽锅炉的压力范围为8～26 MPa，GB/T 10180并不适用于油田注汽锅炉的热工性能试验与检测。

同时，现有的关于锅炉热效率的测试和评价标准，在压力、蒸汽流量、蒸汽温度、锅炉类型等方面都有规定，基本都不适合油田注汽锅炉。如GB/T 10820—2011《生活锅炉热效率及热工试验方法》适用于压力不大于0.7 MPa（表压）的蒸汽锅炉、热水锅炉以及常压热水锅炉和真空相变热水锅炉；GB/T 10184—2015《电站锅炉性能试验规程》适用于蒸汽流量不低于35 t/h，蒸汽压力不低于3.8 MPa，蒸汽温度不低于440℃的电站锅炉；TSG G0003—2010适用于额定压力小于3.8 MPa的蒸汽锅炉和热水锅炉。

由国家能源局发布中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6835—2011《稠油热采蒸汽发生器节能监测规范》，2011年10月1日实施，油田注汽锅炉的热工监测依据此标准进行。但是，该规范在检测方法上，还是沿用GB/T 10180中的规定；在检测结果评价中，依然从热效率、排烟温度、空气系数、表面温度方面对蒸汽发生器是否为节能监测合格设备进行判定。

2 传统热效率计算方法

2.1 正平衡法

正平衡法是直接测定输入锅炉的热量（燃料带入锅炉的热量）和锅炉的输出热量（水和水蒸气所吸收的有效利用热量）[7-9]，按下式计算：

对于油田注汽锅炉来讲，一般均不用外部热源预热空气，输入热量为天然气低位发热量。对于常规油田注汽锅炉，生产干度为80%的湿饱和蒸汽，其正平衡热效率可用下式表示：

式中：η——热效率，%；

D——锅炉实际蒸发量，m3/h（kg/h）；

ibq——饱和蒸汽焓，kJ/kg；

igs——给水焓，kJ/kg；

γ——汽化潜热，kJ/kg；

x——蒸汽干度，%；

B——燃料消耗量，m3/h（kg/h）；

对于过热油田注汽锅炉，生产过热蒸汽，其正平衡热效率可用下式表示：

式中：igq——过热蒸汽焓，kJ/kg。

2.2 反平衡法

反平衡法是测出锅炉的各项热损失，热平衡是指在稳定工况下锅炉的输入热量和输出热量及各项热损失之间的平衡。通过热平衡计算锅炉热效率和燃料消耗量，热平衡公式如下：

式中：η——热效率，%；

q2——排烟损失热量，%；

q3——气体不完全燃烧损失热量，%；

q4——固体不完全燃烧损失热量，%；

q5——锅炉散热损失热量，%；

q6——锅炉外排损失热量，%。

3 油田注汽锅炉净效率计算模型

锅炉设备运行时，要全面考核锅炉的效率及进行经济性比较时，锅炉正反平衡热效率只是针对锅炉本体热能利用效果的评价，并不全面，因此，需将锅炉本身所消耗的蒸汽和电能作为热损失计入锅炉效率。

对于常规油田注汽锅炉，生产干度为80%的湿饱和蒸汽，其净效率可用下式表示：

对于生产过热蒸汽的过热油田注汽锅炉，其净效率可用下式表示：

式中：Dz——自用蒸汽总耗量，m3/h（kg/h）；

Nz——自用电总耗量，kWh/h；

b——生产单度电煤耗，kg/kWh；（通常取b=0.5 kg/kWh）；

4 油田注汽锅炉实测能效分析

对油田注汽锅炉的实测能效对比表明，运用正平衡法与反平衡法对锅炉进行传统热效率测试，并不能全面反应锅炉的真实能耗，运用净效率模型更能全面的反应锅炉的能耗，是锅炉全面评价方面更为合理的指标。以1台22.5 t/h常规油田注汽锅炉（自带烟气余热回收装置）为例，运用几种方法进行能耗测试分析（表1）。

以上分析表明：锅炉运用正/反平衡法测试的平均热效率达到96.77%，而运用净效率模型的净效率为93.72%，锅炉的电耗占锅炉总耗能量的3.81%，排烟热损失、散热损失等占2.47%，由此可见，锅炉降低排烟热损失、散热损失等方面潜力不大，而在节电方面有很大潜力，锅炉节能降耗方面应以节电为突破点，而并不是一味的追求降低排烟温度来提高锅炉热效率。运用净效率模型测试锅炉热效率更能全面的反应锅炉的能耗，是全面评价锅炉能效更为合理的指标。

表1 22.5 t/h常规油田注汽锅炉几种方法能耗测试数据

5 结论

1）对油田注汽锅炉的能效评价，运用正、反平衡热效率对锅炉进行传统热效率测试，并不能全面反应锅炉的真实能耗。

2）油田注汽锅炉能效评价，运用含有锅炉自身消耗的蒸汽和电能项的锅炉净效率评价方法更为合理，更能全面的反应锅炉的能耗，是全面评价锅炉能效更为合理的指标。

[1]李爱仙，辛定国，张管生，等.设备热效率计算通则：GB/T 2588—2000[S].北京：中国标准出版社，2000：1-2.

[2]张管生，辛定国，陈海红，等.企业能量平衡通则：GB/T 3484—2009[S].北京：中国标准出版社，2009：2-3.

[3]李钢，翟克俊，成建宏，等.用能设备能量测试导则：GB 6422—2009[S].北京：中国标准出版社，2009：1-2.

[4]刘复田，李之光，王昌明，等.工业锅炉热工性能试验规程：GB/T 10180—2003[S].北京：中国标准出版社，2003：1-9.

[5]张晓明，贾铁鹰，赵钦新，等.生活锅炉热效率及热工试验方法：GB/T 10820—2011[S].北京：中国标准出版社，2012：1.

[6]俞谷颖，刘振琪，张富祥，等.电站锅炉性能试验规程：GB/T 10184—2015[S].北京：中国标准出版社，2016：37-44.

[7]管坚，刘明，刘晓波，等.工业锅炉能效测试与评价规则：TSG G0003—2010[S].北京：新华出版社，2010：1.

[8]管坚，刘晓波，刘明，等.锅炉节能技术监督管理规程：TSG G0002—2010[S].北京：新华出版社，2010：2.

[9]辛定国，陈海红，李爱仙，等.节能监测技术通则：GB/T 15316—2009[S].北京：中国标准出版社，2009：1-2.