提高油田燃气工业锅炉运行效率初探

于松义

江苏石油勘探局 技术监督（监测）中心节能监测站(江苏 扬州225012)

工业锅炉是油田组织开展油气开采、集输和储运等工作必不可少的耗能设备之一。随着科技的发展和国家对节能环保工作重视程度的日益加强，工业锅炉无论在本体结构设计，还是在燃料种类选择等方面均发生了较大改变。目前，油田生产领域在用容量2 t/h、4 t/h的工业锅炉主要以单锅筒纵置式室燃炉为主，燃料种类也由原油、油气混烧向油田伴生气转变。针对油田燃气工业锅炉普遍存在使用年限较长，本体和排烟道与换热器连接处漏风，以及人为调节难度大和自控能力欠缺等问题，采取巡查堵漏措施，优化运行管理手段，并积极引进节能新技术，是油田降本增效的一项重要举措。

1 影响工业锅炉运行效率的因素分析

工业锅炉热效率是指投入炉膛内的燃料，在理论上所能释放的化学热中有多少被水吸收而产生热水或蒸汽，即单位时间内工业锅炉有效利用热量占输入热量的百分比[1]。从油田部分工业锅炉监测结果看（表1），工业锅炉由于受使用年限较长、燃料在炉膛内燃烧时人为配风不合理、锅炉本体及排烟烟道与换热器连接处漏风点较多和容量配置偏大等因素影响，普遍存在工业锅炉尾部排烟处过量空气系数超标和运行负荷率较低等不足，从而导致部分工业锅炉热效率距标准[2]中规定的3级能效水平存在一定差距。下面分别从燃料在炉膛内燃烧通风、本体运行参数调节等环节对热效率的影响进行分析。

表1 油田在用部分工业锅炉监测结果

1.1 燃料燃烧通风的影响

燃料燃烧是指燃料中可燃物与空气中的氧发生反应后释放化学热的过程[3]。而合理通风是保证燃料在炉膛内充分燃烧的关键要素。一般工业锅炉基本通风方式分别为自然通风和机械通风。油田生产领域在用工业锅炉主要以机械通风为主，而机械通风又分为负压、正压和平衡3种通风方式。

1.1.1 负压通风

负压通风指借引风机产生的引力，克服风、烟道阻力使炉膛维持负压。此通风方式具有操作便捷优点，但工业锅炉运行中各部位均处于负压状态，一旦锅炉本体、辅机和烟道等处密封不严，会造成漏风量增加、过量空气系数超标、风机耗电量升高和锅炉热效率偏低等不良后果。负压通风方式，在油田勘探开发建设中期，大部分集油站（库）燃油工业锅炉上应用“DT”型燃烧器（机械雾化式）时极为普遍。为满足生产需要，在调节工业锅炉运行负荷时，一般通过控制燃油阀门和调节引风机入口挡板开度进行通风，由于燃油量与吸入炉膛内空气量调配不合理，既增加了风机的通风阻力，也使工业锅炉热效率一直处于75%左右的运行水平。

1.1.2 正压通风

正压通风指依靠鼓风机产生的压头克服风、烟道阻力使锅炉维持微正压。这种通风方式对锅炉本体、辅机和烟道等处的密封性要求较高，一般适用于燃油、燃气锅炉。目前，这种通风方式虽在油田生产领域应用较少，但依据GB 50041—2020《锅炉房设计标准》[4]中7.0.1规定，微正压通风由于具有配风速度快、燃烧强度大和传热效率高等特点，现已成为国内部分企业燃气工业锅炉的首选。

1.1.3 平衡配风

平衡配风指在工业锅炉上，既配置鼓风机又安装引风机，靠鼓风机产生的压头克服风道阻力，借引风机产生的吸力克服烟道阻力，从而使炉膛维持20～40 Pa的负压。这种配风方式在油田生产领域工业锅炉上应用较为普遍。虽然油田近年来已在大部分工业锅炉鼓风机、引风机上应用了变频调速控制技术，但由于受设备陈旧、不能实现闭环控制和人为调节不及时等因素影响，工业锅炉尾部排烟处过量空气系数达标率约50%，制约了工业锅炉热效率进一步提升。

1.1.4 过量空气系数的影响

过量空气系数（α）是指炉膛内燃料燃烧时，实际供给的空气量与理论空气量之比[5]。一般燃料中的可燃物不可能与空气中的氧完全反应产生化学热，为了保证燃料中可燃物全部烧掉，实际提供的空气量要大于理论空气量。依据Q/SH 3145 0627—2019《油田重点耗能设备（系统）能效限定值及能效等级》规定，2 t/h≤D＜10 t/h（D为锅炉容量）的工业锅炉，α≤1.6。在实际生产中，若工业锅炉在一定的负荷条件下α较小时，会使燃料中可燃物不完全燃烧，排烟中部分高温可燃物会粘结在炉膛内水冷壁和尾部换热器上，从而造成局部热阻和气体不完全燃烧损失增加，既降低了炉效，又污染了环境；当α偏大时，由于炉膛内冷空气富裕量增多，相对降低了炉膛温度，不仅破坏了炉膛内燃料燃烧环境，也造成锅炉排烟热损失增加，极易导致锅炉尾部二次燃烧等不良现象的发生。因此，α偏大或偏小都会对工业锅炉热效率产生不良影响。

分析油田近年来在用工业锅炉监测结果，影响其尾部排烟处过量空气系数不达标的主要因素如图1所示。

图1 影响过量空气系数的主要因素

1.2 工业锅炉运行参数的影响

1.2.1 汽压

工业锅炉供汽压力主要以设计参数为依据。供汽压力波动范围一般控制在规程规定范围内，当工业锅炉运行负荷发生变化时，供汽压力也随之发生变动，一般汽压调节滞后于汽压的变化，滞后时间越长，工业锅炉运行效率越低。因此，当班工人在满足生产需要调整燃烧和供汽时，应具有超前意识和快速反应能力，避免因供汽压力波动过大和持续时间较长带来工业锅炉低效运行。目前油田生产领域热需求量相对稳定，工业锅炉供汽压力一般控制在0.3～0.5 MPa。

1.2.2 水位

工业锅炉水位控制对其安全、高效运行十分重要。当水位偏低时，若大量补水，会使锅炉汽压明显下降。为满足生产需要，保证汽压稳定，势必加大燃烧，增加燃料消耗。当水位过高时，极易发生满水事故，使过量的水汽流失，从而造成能量浪费。因此，应按照规程规定严格控制锅筒水位，避免工业锅炉水位偏低或过高带来的经济损失。近年来，锅筒恒水位变频闭环控制已作为一项较成熟的技术在油田推广应用，确保了工业锅炉安全可靠运行。

2 采取的主要整改措施

2.1 降低工业锅炉尾部排烟处过量空气系数

尾部排烟处过量空气系数不达标是制约工业锅炉热效率提高的主要因素。因此，从已测试的工业锅炉中选取两台不同容量的锅炉作为整改对象。从测试分析中发现，两台工业锅炉由于受鼓风机、引风机人为调节运行频率不合理的影响，使炉膛负压计显示结果在10～15 mm水柱间摆动，炉膛负压大，燃烧不稳定，尾部排烟处存在二次燃烧现象。按照满足生产需要和平稳供汽的要求，并遵循燃料消耗量、鼓风量和引风量调节顺序原则[5]，通过调节鼓风机、引风机运行频率，在炉膛负压计显示结果在3 mm水柱时，经复测，达到了较满意的运行效果。陈3站两台工业锅炉整改前后测试结果见表2。

由表2知，在工业锅炉过量空气系数、尾部排烟温度均下降的情况下，2#、3#工业锅炉热效率分别提高了6.10%和6.04%，形成年节约能源折合标准煤205 t的能力。

表2 陈3站两台工业锅炉整改前后测试结果对比

2.2 采取堵漏措施

2020年5 月，使用烟气分析仪对运行中接转站两台工业锅炉测试时发现，工业锅炉尾部排烟测点处，仪器显示排烟中氧含量高达19%和17.4%，过量空系数分别达到9.409和5.322，直接影响工业锅炉的正常运行。因此，分别对这两台工业锅炉采取了巡查、堵漏和鼓风、引风优化措施调配整改。接转站两台工业锅炉整改前后对比测试结果见表3。

由表3知，经整改后，两台工业锅炉尾部排烟处过量空气系数较整改前大幅度下降，热效率也分别增加了13.93%和3.74%，既恢复了工业锅炉的正常运行，也使引风机输入功率下降了5.8 kW，形成年节约能源折合标准煤270 t的能力。

表3 接转站两台工业锅炉整改前后测试结果对比

3 提高工业锅炉运行效率的建议

3.1 采取巡查整改措施

针对目前油田在用工业锅炉存在的不足，吸收运行管理中的经验，削减不利因素造成的影响，在巡查、堵漏、监督和技术改造等方面落实，并形成常态化、制度化。

3.2 提高工业锅炉运行负荷率

由于受到油田勘探开发后期产液含水逐年升高和供热方式转变等多方面因素的影响，全年大半时间油田大部分工业锅炉处于低于额定负荷60%的现状。油田相关部门在满足生产需要的基础上，根据季节变化，应合理调整不同容量供热设备组合，加大耗能设备经济运行范围，优化主要运行参数，进一步提高工业锅炉运行效率。

3.3 健全约束与激励机制，加大科学考核力度

针对油田工业锅炉普遍存在补水、供汽流量等计量仪表配置不足问题，油田相关部门或单位应按照GB 17167—2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》要求，在合理配置工业锅炉燃气、供汽和补水流量等监控仪器仪表基础上，结合油田有关工业锅炉运行维护、技术改造和巡查监督等规章制度，下达燃气消耗量等硬性考核指标，细化分、量化比、严考核、硬兑现，切实将约束与激励机制贯穿于工作中的各个环节，营造节能文化氛围。

3.4 积极引进节能新技术，提升能源利用效率

为根除存在的问题，油田应结合生产实际，以自筹资金或采取合同化能源管理的方式，并按照引进试用、测试评价和逐步推广的工作思路，以点带面对已使用20年以上、设备陈旧、控制通风难度较大的2 t/h或4 t/h工业锅炉实施替换。目前，国内市场中、小型容量超低氮冷凝余热蒸汽锅炉，已成为不少企业燃气供热装置的首选，如图2所示。

图2 工业锅炉工艺图

该装置采用高效低应力内燃烟气二回程结构，圆弧形对开炉门设计，并配置了超低氮燃烧器、高效空气预热器和节能冷凝一体机等设备。其中，超低氮燃烧器利用自身再循环技术，使烟气再循环，燃烧温度降低，氮氧化物减少；高效空气预热器采用前烟箱烟气与进炉膛助燃空气双向逆流换热，具有较高的换热效率；节能冷凝一体机采用逆向冲刷对流换热技术，通过错排分布的硅镁铝合金翅片管与工业锅炉补水逆向对流换热，进一步回收烟气中的显热和潜热。另外，该设备燃气、配风和补水，均根据生产热负荷需要实现变频闭环控制，从而使工业锅炉由过去的平衡通风向微正压通风转变，确保工业锅炉经济高效运行。

对一台装机容量4 t/h的工业锅炉实施替换后，锅炉排放烟气中氮氧化物含量控制在30 mg/m3以下，尾部排烟处过量空气系数降至1.15～1.25，热效率由油田平均值的85%升至97%；并形成年节约油田伴生气8.13×104m3，折合人民币12.2万元，偿还周期仅需4.5年，具有一定的经济效益。

4 结束语

针对油田生产领域在用工业锅炉存在的不足，节能监测人员有针对性地对部分工业锅炉进行了整改，通过整改前后测试数据表明，工业锅炉尾部排烟处过量空气系数大幅度下降，提高了工业锅炉热效率，取得了一定的经济和社会效益。另外，对油田在用大部分使用年限长、运行负荷率偏低的工业锅炉，分别在优化运行管理与引进节能新技术等方面提出了建议。