油田注汽鍋爐節能改造研究

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遼河油田作為國內千萬噸大油田之一，已經連續37a穩產1000×104t，其中稠油產量占主產量的70%左右，是國內最大的稠油生產基地，稠油開發方式主要以蒸汽吞吐、蒸汽驅、SACD、火驅為主[1-3]。蒸汽吞吐、蒸汽驅、SACD的開采主要依靠對地層注入高溫蒸汽以驅使原油流動達到可以開采的條件[4-5]。由此可見，高溫蒸汽對于稠油開采以至于遼河油田的千萬噸產量至關重要，高溫蒸汽的產生依靠注汽鍋爐，遼河油田共有可運行注汽站299座，注汽鍋爐376臺。近幾年油田總體注汽量在2400×104t/a以上，注汽鍋爐能耗占稠油開發總能耗的70%以上，注汽鍋爐是遼河油田稠油開發中最重要和能耗最大的設備[6]，提高注汽鍋爐熱效率，降低燃料消耗將會降低油田的生產成本，并產生顯著的經濟效益。同時，遼河油田的主要稠油生產區塊位于遼河三角洲國家自然保護區，通過對注汽鍋爐節能改造，不僅可以節約能源，還可以減少碳排放，為生態保護做出巨大貢獻，產生顯著的社會效益。

1注汽鍋爐工藝流程及熱量損失

1.1工藝流程注汽鍋爐工藝流程見圖1。首先污水站的軟化污水到水罐緩沖儲存，給水泵抽取水罐中的軟化污水加壓至注汽鍋爐柱塞泵處，柱塞泵加壓至17.2MPa后軟化污水進入給水預熱器換熱內管，通過閥門對給水預熱器出口水溫進行調節。經過給水預熱器換熱之后的軟化污水進入注汽鍋爐的預熱段提升溫度，在這里吸收約40%的熱量，然后從預熱段出口再進入給水預熱器外管對軟化污水進行換熱，換熱后的水溫降低，直接進入注汽鍋爐輻射段。軟化污水在依次流經注汽鍋爐輻射段串聯的全部爐管，吸收約60%的熱量，最后產生干度為75%高溫濕飽和蒸汽，通過注汽管線輸送至井口，達到驅油、補充地層壓力的目的。

1.2熱量損失因遼河油田目前注汽鍋爐大部分為燃氣注汽鍋爐，極少部分為燃油燃氣混燒的注汽鍋爐，不同于電廠中的燃煤鍋爐，注汽鍋爐熱量損失方面不會存在機械不完全燃燒熱損失和其他熱損失，所以注汽鍋爐熱損失主要有三項：排煙熱損失，爐體散熱損失，燃料未完全燃燒熱損失。張洪江等[7]對注汽鍋爐熱效率與排煙溫度進行了關聯分析，陳軍等[8]分析了給水預熱器及膜式水冷壁對注汽鍋爐熱效率的影響，王建勛[9]、秦成[10]介紹了節能涂料對爐體散熱損失的應用。遼河油田對近百臺次注汽鍋爐的測試結果表明，注汽鍋爐排煙溫度一般在170～220℃，通常，這些煙氣攜帶了大量熱量被排到大氣中，排煙熱損失是鍋爐各項損失中最大的一項，約占總熱損失的90%～96%；爐體散熱損失次之，約占總熱損失的3.5%～6.0%；燃料未完全燃燒熱損失占總熱損失的0.5%～4.0%。眾所周知，降低排煙溫度可提高注汽鍋爐效率，注汽鍋爐煙氣溫度每降低15～20℃，爐效可提高1％，如果將這部分熱量回收并利用起來，在節約能源方面將具有很大的現實意義。

2現狀及改造方案

2.1現狀遼河油田某注汽站有兩臺額定蒸發量為19.5t/h，額定壓力為17.2MPa，產生75%干度濕飽和蒸汽的注汽鍋爐。目前，每臺注汽鍋爐年注汽量約為11×104t，預計未來注汽量基本保持不變，擬先對其中的一臺注汽鍋爐的對流段進行改造，改造前注汽鍋爐的排煙溫度為170～190℃，排煙溫度較高，高溫煙氣直接排入大氣中，造成較大的排煙熱能損失，同時造成污染環境。注汽鍋爐燃料為天然氣，鍋爐用水為軟化污水，水溫為67℃。

2.2改造方案通過改造注汽鍋爐對流段，降低排煙溫度以提高注汽鍋爐效率，進而達到節能的目的，改造方案不改變原有生產流程，不增加定員，提高了能源的利用效率。通過在注汽鍋爐對流段頂部安裝空氣預熱器，利用鍋爐煙氣的余熱將送風機吹入的冷空氣加熱，經過風道將熱空氣送入爐膛內，提高爐膛溫度，即節約燃料又降低了排煙溫度，最終實現節能的目的。具體方案為：在注汽鍋爐尾部煙道安裝空氣預熱器，風道吸風口設于室內，室內空氣通過增壓風機輸送至空氣預熱器，經過換熱后的空氣，通過風道輸送至鍋爐鼓風機，風道架空布置，風機安裝在室內，風道外設保溫層?？諝忸A熱器進出口配帶壓力表，出口設置風門，用以調節鼓風機風量、風壓。工藝流程效果見圖2，藍色箭頭方向為冷空氣流向，紅色箭頭方向為熱空氣流向。改造完成后現場裝置見圖3?？諝忸A熱器系統組成如下：該系統由空氣預熱器、送風機（9kW）、輸風管道(分冷風管道、熱風管道)、風量分配閥、鍋爐入口轉換閥、變頻調速控制柜、溫度測控系統以及其他附件等組成。系統中空氣預熱器是最重要的部件，超導熱管是空氣預熱器的主要熱傳導元件，與普通的熱交換器有著本質的不同。熱管余熱回收裝置的換熱效率可達98％以上，這是任何一種普通熱交換器無法達到的。超導熱管空氣換熱器體積小，只是普通熱交換器的1/3。超導熱管裝置見圖4，左邊為煙氣通道，右邊為清潔空氣(水或其它介質)通道，中間有隔板分開互不干擾。高溫煙氣由左邊通道排放，排放時高溫煙氣沖刷熱管，當煙氣溫度大于30℃時，熱管被激活便自動將熱量傳導至右邊，這時熱管左邊吸熱，高溫煙氣流經熱管后溫度下降，熱量被熱管吸收并傳導至右邊。常溫清潔空氣在鼓風機作用下，沿右邊通道反方向流動沖刷熱管，這時熱管右邊放熱，將清潔空氣加熱，空氣流經熱管后溫度升高。由若干根熱管組成的空氣預熱器，安裝在鍋爐煙口，將煙氣中的熱量吸收并高速傳導至另一端，使排煙溫度降低至高于露點而減少熱量排放損失。加熱后的清潔空氣可補充到鍋爐前端（入風口），提高鍋爐的熱效率，降低燃料消耗，將送風溫度提高，爐膛溫度上升40℃左右，使燃料能夠充分燃燒，延長燃燒時間，并使排煙溫度降低40℃左右，且減少了吹灰次數從而達到節能的目的。

3現場應用

改造完成后室內空氣通過增壓風機輸送至空氣預熱器，經過換熱后，空氣溫度由12℃提升至50℃，再經由風道送至注汽鍋爐鼓風機入口，經鼓風機加壓后送入注汽鍋爐。換熱后的煙氣由189℃降低至137℃，由煙囪排入大氣。改造前后注汽鍋爐運行數據對比見表1。通過表1可以得出，改造后注汽鍋爐熱效率提升1.7%，按每年注汽鍋爐運行330d考慮，進注汽鍋爐軟化水為67℃，給水焓值為292.37kJ/kg，注汽鍋爐出口蒸汽為15.7MPa，75%干度的飽和蒸汽，焓值為2352.05kJ/kg，天然氣熱值按35000kJ/m3，每年可節約消耗天然氣16×104m3，天然氣價格按1.69元/m3計算，可節約運行成本27萬元，減少碳排放量14.3×104t/a。空氣預熱器系統組成中包括一臺9kW送風機，每年耗電71280kWh，電價按0.9071元/kWh，每年增加電費6.5萬元，綜合節約天然氣費27萬元，每年可節約運行費用20.5萬元，注汽鍋爐改造的工程投資為64.8萬元，預計3.2a可收回成本。4結論1）通過對遼河油田某注汽站的一臺19.5t/h注汽鍋爐進行改造，對其對流段改造加裝空氣預熱器，降低注汽鍋爐的排煙溫度，提高進入注汽鍋爐燃燒的空氣溫度，改造后可使注汽鍋爐熱效率提升1.7%。2）改造后注汽鍋爐每年可節約消耗天然氣16×104m3，節約成本27萬元，減少碳排放量14.3×104t/a，該項改造對遼河油田今后稠油生產降本增效，實現“雙碳目標”具有重要的借鑒意義。3）改造中新增耗電設備，送風機一臺每年可節約運行費用20.5萬元，經濟效益顯著，可在遼河油田大范圍推廣。

作者:馬銘澤單位:中油遼河工程有限公司