應用鍋爐干度自控系統提高注汽效果

張立東

稠油熱采是遼河油田稠油開發的主要方式，保證注汽質量，保持注汽干度平穩是提高稠油采收率的關鍵因素。注汽鍋爐應用干度自控系統能夠有效控制注汽干度，保證注汽質量。

一、 背景

油田注汽鍋爐是稠油熱采的關鍵設備，注汽鍋爐爐出口產生的是濕飽和蒸汽，濕飽和蒸汽是汽相和液相的混合物，其中液相質量占濕飽和蒸汽總質量的比例為蒸汽干度，蒸汽干度的高低直接決定了注入目標油層的熱量焓值，蒸汽干度過熱也是注汽鍋爐爆管的最重要原因，因此，蒸汽干度決定了同等條件下單井注汽周期產量及油汽比，更是確保注汽鍋爐安全運行的重要指標。但是傳統鍋爐控制方式無法實時保持注汽干度的穩定，原因是多方面的，一是熱采鍋爐老化，設備本身存在缺陷，二是油溫、油壓等變化，三是注汽鍋爐為高溫高壓設備，員工每1小時巡檢一次，無法做到時時調節。所以就需要一種能夠解決上述所面臨問題的新型控制系統。

目前存在的干度自控實施方法

· 電導率電極：電導率電極測試的是鍋爐入水和爐出口分離器分離出來的水的電導率，由于鍋爐入水中HCO3-在爐管高溫加熱下會發生電離，因此測試的爐水電導率根本不是入水電導率的因濃縮后的電導率值，測量干度一定會偏高。

· PH值電極：水的PH值和堿度根本就是兩個不同的概念，鍋爐干度人工化驗測試的入水和爐水的堿度，PH值測試的只是水中的酸堿度，因此不可能有理想的理論吻合。

· 選擇性電極：選擇性電極目前一般采用Na+和CL-選擇電極，理論上是可以實現干度測量的，但由于入水、爐水的溫度差異以及選擇電極本身屬于試驗室設備，根本無法在線長期測試。

以上三種方法，是將電極長期浸泡在爐水中，電極表面會不同程度產生結垢現象，另外，電極本身的耐溫值一般小于70℃，對于目前油田以污水深度處理為鍋爐進水的條件下，更無從適應溫升，污水深度處理的水中會有一定的懸浮物、含油，電極表面更難確保潔凈。

· 孔板和噴嘴差壓法：孔板和噴嘴差壓法是在鍋爐出口安裝差壓式流量計測定濕飽和蒸汽的體積流量，利用密度計算公式反推干度值，由于鍋爐出口汽、水混合物在水平管道有8種流型，在垂直管道有4種流型，很難用一個公式將全部流型的濕蒸汽干度計算準確，因此，需要在線于人工化驗干度對比，計算誤差系數加以修正，人為可以改變顯示值（如停爐后干度顯示任何值），絕對不能用此值來控制干度，事實上，此方法在多臺注汽鍋爐上都應用過，現場證明是失敗的。

· 弱中子源：利用弱中子放射性原理在穿透汽水混合物產生的衰減率不同而測試干度，理論上絕對成立，但由于在測試中，認為放射線在管壁的衰減為固定值，實際運行中，管壁會有一定的藥垢或輕微水垢，如連續測試，會有一定的誤差產生，放射源在高溫條件下的安全問題也值得重視。

注汽鍋爐的干度控制關鍵在于干度在線測試的準確度、可靠性、長期性、適應性。下面將展示一種滿足上述要求的新型在線干度控制系統。

二、蒸汽干度測試原理

干度測量基本原理。油田稠油熱采專用熱采鍋爐產生的是濕飽和蒸汽，根據熱力學知識，濕飽和蒸汽熱焓計算公式為：

Q=h+x*r；

式中：Q----鍋爐出口蒸汽熱焓（KJ/Kg）； h-----飽和水焓（KJ/Kg）；

x------蒸汽干度； r-------汽化潛熱（KJ/Kg）。

因此，我們只要測定鍋爐出口蒸汽熱焓、飽和水焓以及汽化潛熱，注汽鍋爐干度就可以計算出來。

濕蒸汽熱力學特性。該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第535期2014年第03期-----轉載須注名來源對蒸汽的熱力過程存在一點、兩線、三區、五態，一點是臨界點；兩線為飽和液體線和飽和蒸汽線；三區為未飽和液體（過冷液體）區、濕蒸汽區、過熱蒸汽區；五態為未飽和液體（過冷液體）狀態、飽和液體狀態、濕飽和蒸汽狀態、干飽和蒸汽狀態和過熱蒸汽狀態。

干度計算公式及其推導過程。假如某一取樣管內流過濕蒸汽，已知入口處的溫度為t1，干度為x1，（處于II區），在截面2-2處加入壓力為P2、溫度為t2、質量流量為W2的水（處于I區），調節注入水量W2，使3-3處的濕蒸汽和水達到完全混合并處于II區。測量3-3處的壓力為P3，溫度為t3，質量流量為W3。整個系統與外界無熱量交換。

設1-1處蒸汽流量為W1，根據質量守恒：

W1+W2=W3 （1）

故入口處蒸汽質量流量

W1=W3-W2 （2）

設1-1處，飽和水質量流量為W1w，飽和水蒸汽的質量流量為W1g，則

W1w+W1g=W1 （3）

入口處蒸汽干度：

x1= W1g/ W1= W1g/（ W1w+W1g） （4）

由于整個系統與外界絕熱，根據能量守恒

W1w*h1w+ W1g*h1g+W2*h2=W3*h3 （5）

其中h1w、h1g分別為1-1處得飽和水和飽和蒸汽的焓值，h2為2-2處水的焓值，h3為混合后3-3處的焓值，把式（2）、式（3）、式（4）代入式（5）得：

實施方法。按數據要求把混合裝置及各種測試儀表高度集成在管道內，測出式6中的流量、溫度參數，判斷3-3處混合物是否達到穩定并處于未飽和水區，這樣就可以計算出蒸汽干度。

三、蒸汽干度自控原理

干度在線測試后，通過設定干度控制值，允許波動值以及檢測時間，在鍋爐手動調整穩態后，轉向自動控制，本系統會自動調節鍋爐燃油量，保持人工調節的結果，實現干度的穩定。

四、效果分析

干度自控系統的應用對注汽質量控制的有效性。安裝干度自控系統前后鍋爐在相同運行工況下注汽干度變化情況，可以發現產生了較為明顯的變化，取得了較好的預期效果。

效果分析。通過數據可以看出干度自控系統的應用確實可以有效降低干度波動，提高注汽質量。

實際效益。實際效益主要包括四部分：

稠油熱采收率是與注汽質量密切相關的，干度波動大小直接影響原油產量。按干度變化1%對石油產量影響0.2%，歡采年稠油產量按140萬噸算，可使歡采稠油增產0.36萬噸。

降低單耗。干度每升高1%，注汽單耗增加約0.4 kg/m3。歡采年注汽量按600萬噸算，歡采注汽鍋爐每年可節約燃油0.15萬噸。

延長熱采鍋爐使用壽命，降低維修費用。熱采鍋爐為高溫高壓設備，需定期年檢維修。采用此系統，可以減少甚至杜干度過高、蒸汽過熱引起爐管碳化現象的發生，降低維修費用。

保證員工健康、安全。熱采鍋爐為高溫高壓設備，員工進入鍋爐房就處在一種高溫高壓、高噪音、高灰塵環境，對員工身心健康、安全非常不利。按照HSE工作理念，講求以人為本，將員工的安全、健康放在第一位。此系統可以自行控制熱采鍋爐平穩運行，減少員工在鍋爐房滯留時間，確保了員工安全健康。