油田提高注汽鍋爐蒸汽出口干度技術研究

潘立生，張海瑩

（1. 新疆油田公司工程技術公司，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 勝利油田石油化工總廠，山東 東營 257600）

油田提高注汽鍋爐蒸汽出口干度技術研究

潘立生1，張海瑩2

（1. 新疆油田公司工程技術公司，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 勝利油田石油化工總廠，山東 東營 257600）

新疆油田超稠油開發和普通稠油后期開采需要更高的蒸汽干度，而常規鍋爐蒸汽出口干度只有80%，已不能滿足現階段注蒸汽開采工藝要求。為此，提出了汽水分離、過熱、摻混方法進提高蒸汽干度，并使其伴有15 ℃過熱度，達到了蒸汽驅稠油熱采條件，現場應用表明該方法在節能、環保和能效上效果顯著。

稠油開發；蒸汽干度；蒸汽開發；汽水分離

注蒸汽已經成為國內外廣泛使用的開采超稠油的方法。油田注汽鍋爐是產生蒸汽的關鍵設備，在油田超稠油開采中發揮著重要作用。經過多年超稠油開采探索的實踐表明，蒸汽干度為80%的常規油田注汽鍋爐已不能滿足超稠油開采要求[1]，因此需要提升鍋爐蒸汽干度，以增加超稠油產量。由于鍋爐給水中含有大量的Na20?mSiO2等硅酸鹽和鍋爐結構的限制，常規油田注汽鍋爐蒸汽干度＞80%時，硅酸鹽會隨著蒸汽干度的升高而逐漸析出，并吸附在鍋爐爐管內壁上，降低了爐管的導熱系數和堵塞爐管，甚至產生爆管的危險。因此，提出了汽水分離、過熱、摻混方法進提高蒸汽干度的方法。

1 鍋爐熱平衡計算

鍋爐的熱平衡是指在穩定工況下鍋爐的輸入熱量和輸出熱量及各項熱損失之間的平衡[2]。通過熱平衡計算鍋爐熱效率和燃料消耗量，熱平衡公式如下：

式中：

Qin—鍋爐的輸入熱量, kJ/kg；

Q1—鍋爐的輸出熱量, kJ/kg；

Q2—排煙損失熱量, kJ/kg；

Q3—氣體不完全燃燒損失熱量, kJ/kg；

Q4—固體不完全燃燒損失熱量, kJ/kg；

Q5—鍋爐散熱損失熱量, kJ/kg；

Q6—鍋爐外排損失熱量, kJ/kg。

上式也可用它占輸入熱量的百分率表示，則熱平衡方程則可表示為：

式中:

A—爐水導電率, mg/L;

(2)規范操作過程。資產證券化的操作過程需要高度重視，需要不斷提高從業人員的素質，規避操作規程中人為失誤而帶來的風險，避免操作失誤，是資產證券化過程中的重要措施(金郁森,2005)。

B—給水導電率, mg/L。

從式（1）和（4）中可知，鍋爐輸出熱量1Q與對應壓力下的飽和蒸汽干度X相適應，只有1Q越大，X才越高。從式（3）中可知，在減少各項熱損失的基礎上，才能提高鍋爐的整體熱效率η，由于受鍋爐材料性能和結構限制以及工質被加熱后相態的變化，鍋爐的熱效率η只能確定一個相對合理的目標值，同時鍋爐輸出熱量1Q值和蒸汽干度X應與鍋爐性能相匹配。

2 提升蒸汽干度方法

2.1 分離排放法

將油田凈化水由鍋爐加熱后，蒸汽出口干度為80%，然后經汽水分離器分離后，干度為99%蒸汽注入井底，而分離出來的飽和水經換熱器換熱后再經擴容器減壓排放[3]，其結構原理如圖1所示。

圖1 分離排放法結構原理圖Fig.1 Structure diagram of separation emission method

2.2 井口加熱摻混法

將油田凈化水由鍋爐加熱后，蒸汽出口干度為75%，經汽水分離器分離后分別傳輸至井口，在井口處，利用井口加熱爐將干蒸汽繼續加熱成過熱蒸汽，然后再與鍋爐分離出來的飽和水摻混后注入井底，其工作原理如圖2所示。

圖2 井口加熱摻混法結構原理圖Fig.2 Structure diagram of wellhead heating mixing method

2.3 無鹽水加熱法

為防止鍋爐給水加熱后，在爐管內析鹽結垢，先將給水進行軟化處理：利用離子交換樹脂除去水中Ca2+、Mg2+離子，使其含量降低到0.01 mg/L以下，再采用反滲透法對軟化水中的硅酸鹽等進行處理，并除碳和加熱真空除氧。

2.3.2 無鹽水加熱鍋爐結構方案研究

在無鹽水加熱鍋爐結構方案，鍋爐來水經給水泵增壓后，給鍋爐供水，增壓后的水先經過水-水熱交換器外管進行對流換熱，換熱后，進入一次對流段，再進入二次對流段，在對流段內與煙氣進行對流換熱，使其達到干度為30%的濕飽和蒸汽，然后再經水—水熱交換器內管進入輻射段，在爐膛內經輻射傳熱后，使其達到干度為80%濕飽和蒸汽，最后再進入對流蒸發段與煙氣進行對流換熱，使蒸汽出口干度達95%以上或微過熱。通過對該鍋爐各部件蒸汽壓力、溫度、流量、干度、煙氣溫度進行監控，反饋到控制系統，再從控制系統，發出指令，調節水量、火量等，整個過程可實現全自動。

2.3.3 鍋爐熱能配比及材料的選擇

根據鍋爐各部件的吸熱方式不同和工質被加熱過程的相態變化，要合理分配各部件吸熱能力如圖3所示。根據煙氣的溫度、被加熱工質溫度及相態，各部件材料選擇如表1。

表1 無鹽水加熱鍋爐各部件材料Table 1 No salt water heating boiler components materials

2.4 汽水分離+過熱+摻混法[4]

2.4.1 汽水分離+過熱+摻混法鍋爐結構方案研究

汽水分離+過熱+摻混法鍋爐結構方案中，軟化水經給水泵增壓后，經水—水熱交換器外管換熱后進入對流段進行初步加熱，然后再經水—水熱交換器內管進入輻射段，將鍋爐給水進一步加熱至75%～80%干度的濕飽和蒸汽，該蒸汽進入汽水分離器進行汽水分離，分離出的干度達99%蒸汽由分離器蒸汽出口管進入過熱段加熱至過熱，然后再進入摻混器；由汽水分離器分離出的高含鹽飽和水由分離水出口管進入摻混器；在摻混器中，利用過熱蒸汽將高含鹽飽和水加熱并完全汽化，形成干度100%的微過熱蒸汽后，由混合蒸汽出口管輸出至蒸汽出口管注入油井。

2.4.2 鍋爐熱能配比及自動控制技術研究

由于被加熱工質是含鹽軟化水，因此要嚴格限制限制輻射段和過熱段的吸熱能力，以防止由于過燒而在爐管內產生結垢，其熱能配比如圖4所示。由于被加熱介質中含有大量的鹽分，因此不能將鍋爐給水直接加熱成高干度蒸汽，只有達到輻射段出水指標限定的條件，分離器才允許分離，才能將干飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽，各測點向PLC反饋信號，然后再從PLC發出指令，整個過程完全由計算機自行完成。

圖4 汽水分離+過熱+摻混法鍋爐各部件熱能配比圖Fig.4 Heat ratio figure of the boiler components of separating and overheating and mixing method

圖3 無鹽水加熱鍋爐各部件熱能配比圖Fig.3 Heat ratio map of no salt water heating boiler components

3 性能對比分析

3.1 熱效率對比

該類鍋爐采用燃油、燃氣作為燃料，根據式（3）可知，其熱效率對比如圖5所示。

圖5 熱效率對比圖Fig.5 Thermal efficiency comparison chart

圖6 干度對比圖Fig.6 Dryness comparison chart

3.2 蒸汽干度對比

蒸汽干度測試主要有兩種方法：①物理方法：采用干度儀分別測量鍋爐給水和爐水中鹽分電導率，按式（4）計算；②化學方法：在鍋爐給水和爐水中分別加入稀硫酸進行酸堿中和滴定，通過耗酸量計算干度。其干度對比如圖6所示。

4 無鹽水加熱法和汽水分離+過熱+摻混法的應用

新疆工程技術公司制造了四種型號高干度鍋爐：YZG-50/14-G、YZG-22.5/14-G、YZG20-360/14-G、YZG22.5-360/14-G，共計50臺在風城作業區、紅山油田、采油一廠得到應用，有效的滿足超稠油開采注汽工藝需要，使用效果良好。

5 結 論

本文提出的分離+過熱+摻混法能有效提高鍋爐出口蒸汽干度，應用表明鍋爐蒸汽出口干度達到了100%，并有一定的過熱度，滿足了超稠油熱采和SAGD注汽工藝要求，從而解決了軟化水在鍋爐爐管內結垢問題、高壓飽和水排放問題，顯著提高了鍋爐熱效率，實現全自動運行，降低了操作人員的工作強度，可利用油田凈化水資源和熱能，真正做到了節能環保。

［1］杜義朋，王為民，周立峰. 雙渦街法測量飽和蒸汽干度研究[J].當代化工, 2013,1(42):44-46.

［2］李向前.提高注汽干度對稠油熱采效果的改善[C].工業技術科技創新導報,2011,1:35-38.

［3］YangY , Xiang G B. Global Satisfied control for non linear integrator processes w ith long delay con trol [J].Theory and App lications, 2006, 5( 2) : 207-210.

［4］周建平，貢軍民，郝衛國,齊天喜.高干度油田注汽鍋爐:中國實用新型專利,ZL 2008 2 0301899.0[P]. 2009-5-20.

［5］Hojjat M，Etemad S Gh，Bagheri R，et al． Rheological characteristics of non-Newtonian nanofluids: experimental investigation[J］．International Communications in Heat and Mass Transfer，2011，38: 144-148．

Study on the Technology to Improve the Boiler Outlet Steam Dryness

PAN LI-sheng1，ZHANG Hai-ying2
（1. Engineering Technology Company of Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Kelamayi 834000，China；2. Sinopec Shengli Oilfield Limited Company Petrochemical Plant, Shandong Dongying 257000，China）

Ultra heavy oil development and ordinary heavy oil late-stage development require higher steam dryness in Xinjiang oilfield. Conventional boiler steam outlet dryness is only 80%, which cannot meet the requirements of the present stage steam injection process. So steam-water separation and overheating and blending method has been used to improve the steam dryness. The treated steam accompanied by 15 ℃ superheat can meet the requirements of the heavy oil thermal recovery. Field application shows that the method is energy conservation and environmental protection, and its energy efficiency is significant.

Heavy oil development; Steam dryness; Steam development; Steam and water separation

TE 357

A

1671-0460（2015）01-0165-03

2014-07-18

潘立生（1978-），男，黑龍江大慶人，研究方向：注汽鍋爐蒸汽技術。E-mail：a0612bpls@163.com。