注汽鍋爐能流分析與節(jié)能優(yōu)化研究

王　輝　楊元亮　張　建　王增林　徐明海

（1.中國石化石油工程設(shè)計有限公司；2.勝利油田新春采油廠；3.中國石化勝利油田分公司；4.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院）

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注汽鍋爐能流分析與節(jié)能優(yōu)化研究

王輝1楊元亮2張建1王增林3徐明海4

（1.中國石化石油工程設(shè)計有限公司；2.勝利油田新春采油廠；3.中國石化勝利油田分公司；4.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院）

為了有效提高注汽系統(tǒng)用能效率，減少稠油生產(chǎn)能耗和污染排放，提高經(jīng)濟效益，以注汽鍋爐本體及機組系統(tǒng)為研究對象，建立了能量平衡模型和兩箱平衡模型。對春風(fēng)油田注汽系統(tǒng)進(jìn)行了能耗測試，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算得出用能評價指標(biāo)，確定了能流分布規(guī)律，找出用能薄弱環(huán)節(jié)，即排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失占較大比重，低溫燃燒和大溫差傳熱是造成效率低的主要原因。提出了二次燃燒、煙氣余熱回收、空氣過量優(yōu)化控制、額定負(fù)荷運行等工藝節(jié)能優(yōu)化措施，為實現(xiàn)注汽系統(tǒng)高效用能提供了理論依據(jù)。

注汽系統(tǒng)能耗測試能流分析節(jié)能優(yōu)化

全球?qū)厥覛怏w和污染氣體減排要求越來越高，與此同時，全球油價正在經(jīng)歷著史上少有的低谷時期。國內(nèi)油田生產(chǎn)企業(yè)面臨著越來越嚴(yán)峻的減少排放和降低成本的雙重壓力，節(jié)能降耗逐漸成為石油生產(chǎn)企業(yè)保持可持續(xù)發(fā)展的必要手段。稠油注汽系統(tǒng)是油田生產(chǎn)企業(yè)最主要的耗能環(huán)節(jié)，因此了解注汽系統(tǒng)用能水平，找出與先進(jìn)企業(yè)的差距，確定節(jié)能潛力以便科學(xué)指導(dǎo)企業(yè)節(jié)能工作，變得非常有意義［1］。注汽系統(tǒng)能耗的影響因素較多，且各因素之間的相互作用非常復(fù)雜，很難單獨就某種因素對系統(tǒng)的能耗影響規(guī)律進(jìn)行合理分析，需要通過科學(xué)、有效的能耗分析手段，建立系統(tǒng)用能分析模型［2-5］，對影響能耗的各因素進(jìn)行系統(tǒng)全面的分解剖析，確定合理的用能分析與評價指標(biāo)，確定注汽系統(tǒng)節(jié)能降耗的方向，為制定能耗控制措施和指導(dǎo)生產(chǎn)工藝節(jié)能奠定基礎(chǔ)［6-10］。以春風(fēng)油田為例，對注汽鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行能耗測試，并進(jìn)行平衡計算，得出用能指標(biāo)［11-14］，確定能流分布，把握薄弱環(huán)節(jié)，并依此提出節(jié)能優(yōu)化措施。

1　注汽站工藝流程

春風(fēng)油田北部注汽站內(nèi)鍋爐額定流量為48 t/h、額定壓力14.2 MPa，類型為鏈排式燃煤直流鍋爐。汽水流程為：經(jīng)過處理后合格的軟化除氧水進(jìn)入高壓柱塞泵入口端，經(jīng)柱塞泵升壓后打入套管式給水預(yù)熱器，使給水超過煙氣“酸露點”溫度，通常要求在110～120℃左右，以避免煙氣對翅片管的低溫腐蝕。經(jīng)預(yù)熱后的水進(jìn)入一、二級對流段，吸收煙氣熱量后再進(jìn)入水-水換熱器作為熱源加熱給水，經(jīng)冷卻后進(jìn)入三級對流段并被加熱到飽和后再送入輻射段，水在輻射段經(jīng)加熱汽化后變?yōu)?4.2 MPa高壓濕蒸汽，干度達(dá)到70%～80%，然后送出系統(tǒng)。煙風(fēng)流程則較為簡單：外部冷空氣經(jīng)過送風(fēng)機升壓后進(jìn)入空氣預(yù)熱器，受高溫?zé)煔饧訜岷笤儆涉溑诺撞康乃惋L(fēng)口吹入爐膛，原煤燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔夥謩e流經(jīng)輻射段和三、二、一級對流段并釋放熱量后送入排煙管道，在排放之前通過空預(yù)器回收部分熱量，再經(jīng)過脫硫除塵后通過煙囪外排到大氣中。具體工藝流程如圖1所示。

2　能量平衡模型及正反平衡測試

鍋爐的能量平衡是指在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，鍋爐輸入熱量與輸出熱量及各項熱損失之和的熱量平衡。在鍋爐系統(tǒng)中，輸入系統(tǒng)的能量有燃料釋放的熱能，燃料泵系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)輸入的電能以及燃料攜帶的顯熱等。輸出系統(tǒng)的能量有蒸汽所帶走的熱能、煙氣帶走的熱能，氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、爐體的散熱損失以及灰渣物理熱損失等。從能量守恒的角度考慮，對整個鍋爐機組而言，輸入鍋爐的熱量應(yīng)等于輸出鍋爐的熱量，對應(yīng)l kg燃料的鍋爐熱平衡，其數(shù)學(xué)模型表示如下：

圖1　鍋爐內(nèi)部汽水及煙風(fēng)工藝流程

式中：Qr為鍋爐輸入熱量，kJ/kg；Q1為鍋爐輸出熱量，kJ/kg；Q2為排煙熱損失，kJ/kg；Q3為氣體不完全燃燒熱損失，kJ/kg；Q4為固體不完全燃燒熱損失，kJ/kg；Q5為爐體散熱損失，kJ/kg；Q6為灰渣物理熱損失，kJ/kg。將式（1）用方程右側(cè)各項熱量占輸入熱量的比值百分?jǐn)?shù)來表示，則有

其中

鍋爐用能效果評定準(zhǔn)則為熱效率，可通過正、反平衡兩種方法計算求得。其中正平衡法為鍋爐有效利用熱量與燃料輸入鍋爐熱量的比值，按下式計算：

反平衡法則是測定鍋爐的各項熱損失，然后反算熱效率，即

對注汽鍋爐進(jìn)行能耗測試的依據(jù)是SY/T 6275—2007《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》、GB/T 15317—2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測》、SY/T 6835—2011《稠油熱采蒸汽發(fā)生器節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》，以及SY/T 5264—2006《油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測試和計算方法》等。首先通過元素分析了解燃煤的組成，并測出平均熱值；利用鍋爐在線儀表測試燃煤耗量、給水的流量，并讀取蒸汽的壓力、溫度；采用氯根滴定法測量出口蒸汽干度量；使用溫度計測試水進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度，以此為基礎(chǔ)完成鍋爐正平衡效率的測試。通過對煙氣、灰渣進(jìn)行組成分析、溫度測試，對鍋爐外表進(jìn)行熱流密度測試，以此為基礎(chǔ)完成鍋爐反平衡效率的測試［15］。測試結(jié)果如表1所示。

表1　注汽站鍋爐正反平衡測試結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)可以看出：鍋爐系統(tǒng)正反平衡效率絕對誤差小于5%，說明系統(tǒng)的測算調(diào)研準(zhǔn)備充分，測試過程合理，調(diào)研所得測試數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，測試計算結(jié)果具有較高可靠性；鍋爐額定工況下效率為82%，而實際運行平均效率只有77.86%，主要原因在于排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失比例較大，并且鍋爐實際負(fù)荷率低，造成較大的散熱損失；過量空氣系數(shù)大，導(dǎo)致鍋爐的對流換熱情況下降，同時鍋爐的輻射換熱過程不夠充分，相比效率較高的鍋爐煙氣量過大。一般油田鍋爐過量空氣系數(shù)稍高，維持在1.2～1.4之間，可以看出本鍋爐過量空氣系數(shù)過大，甚至超過1.8，必然造成更大的能量損失與燃料的浪費，帶來更多的污染。

3　平衡兩箱分析模型

白箱模型對體系內(nèi)、外部的各個用能設(shè)備和過程逐個分析，除需要計算輸入、輸出體系的物流（能）值，還需計算設(shè)備各個能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程的（能）損失及損系數(shù)。鍋爐白箱分析模型如圖3所示，其中：Exrk為熱空氣的物理，Exrl為燃料供給，兩者之和為供入Exsup；Exsr和Exlz分別表示鍋爐的散熱損失和鍋爐排渣損失；Exq和Exg分別為氣體和固體未完全燃燒所帶走的化學(xué)損；Expy表示鍋爐的排煙損失；Exlrs為燃燒損；Exlcr1、Exlcr2為注汽鍋爐中的煙氣分別對水和對空氣的傳熱損失。由此可得到反平衡效率：

圖2　注汽鍋爐“黑箱”模型

圖3　注汽鍋爐“白箱”模型

表2　注汽站鍋爐平衡兩箱分析結(jié)果

表2　注汽站鍋爐平衡兩箱分析結(jié)果

黑箱模型物流帶入/ kW 9.112 46白箱模型燃燒損系數(shù)/ % 46.074 15物流帶出/ kW 7 806.19供給/ kW 31 415.4有效/ kW 7 797.08正平衡效率/ % 24.819 3傳熱損系數(shù)/ % 25.943 26排煙損系數(shù)/ % 4.485 105散熱損系數(shù)/%反平衡效率/% 7.61E-0223.421 36

由以上表格數(shù)據(jù)可以看出：

2）燃料燃燒過程是從能量存儲的化學(xué)能變?yōu)楦邷責(zé)煔鉄崮艿倪^程，必然要損失一定的做功能力，這是由功與能的本質(zhì)區(qū)別造成的；當(dāng)高溫?zé)煔庀蝈仩t給水傳熱時，溫度從1200℃向120℃的水傳熱，巨大的不可逆?zhèn)鳠釡夭钍窃斐上到y(tǒng)損失大的原因，加上煙氣排放攜帶損失，綜合造成的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的熱效率。

4　提高鍋爐效率的途徑

4.1節(jié)能措施建議

1）排煙溫度過高，說明燃燒釋放的熱量沒有被工質(zhì)充分吸收，因此對蒸汽鍋爐可以采取如下的改進(jìn)措施：通過定期吹灰和除垢措施保持換熱面的清潔，增強煙氣與水管表面間的熱量傳遞過程，從而降低排煙溫度；增加對流段的傳熱面積，更多地吸收煙氣中的熱量；增設(shè)其他余熱回收裝置。由于蒸汽鍋爐因結(jié)構(gòu)所限難以改造，可在煙管與煙囪之間增設(shè)小型的余熱回收裝置，以降低加熱爐排煙溫度。

2）固體不完全燃燒是僅次于鍋爐排煙的熱損失環(huán)節(jié)［20］。通過延長灰渣在爐內(nèi)停留時間，收集飛灰中的固體可燃物重新利用，改善爐排結(jié)構(gòu)以減少漏煤量，采用分區(qū)配風(fēng)、送二次風(fēng)、改進(jìn)爐拱結(jié)構(gòu)等方法都可以減少鏈條爐排鍋爐的固體不完全燃燒熱損。

3）鍋爐送風(fēng)優(yōu)化控制。為了使鍋爐中的燃料盡可能地燃燒完全，實際供給的空氣量總要大于理論空氣量，即過量空氣系數(shù)總是大于l。考慮到配風(fēng)量小不完全燃燒熱損失增加，配風(fēng)量大則排煙損失增加，因此過量空氣系數(shù)α過大或過小都對燃燒不利。為使蒸汽鍋爐過量空氣系數(shù)處于合理、科學(xué)的范圍，可以采用送風(fēng)自控系統(tǒng)，實現(xiàn)鍋爐送風(fēng)優(yōu)化控制。

4）泵機組普遍在低負(fù)荷區(qū)域運行導(dǎo)致電能利用率低，僅為65%左右。為了提高機泵運行效率，應(yīng)從以下方面入手：避免負(fù)載率低，使機泵滿負(fù)荷運行；提高電動機的功率因數(shù)，如采用變頻調(diào)速技術(shù)。

①提高鍋爐給水溫度。通過鍋爐給水和尾部排煙的換熱，提高給水溫度同時降低煙氣溫度，綜合進(jìn)行會降低系統(tǒng)的損失量。由于鍋爐給水由給水泵提供，余熱溫度過高給水泵會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，因此需要綜合考慮鍋爐的給水預(yù)熱溫度。

②提高預(yù)熱空氣溫度。通過空氣預(yù)熱器，可以提高供風(fēng)溫度，一方面可以降低化學(xué)能轉(zhuǎn)換的傳熱溫差，另一方面有利于維持鍋爐內(nèi)部高溫條件，減少燃燒過程的損失。

4.3煙氣余熱裝置設(shè)計與節(jié)能評價

表3　單臺熱管省煤器工藝參數(shù)

按照上述工藝方案可以給出其經(jīng)濟型評價結(jié)果（表4）。

表4　單臺省煤器節(jié)能效果分析

5　結(jié)論

1）通過能耗測試和能量平衡計算可知，鍋爐用能薄弱環(huán)節(jié)主要在于排煙熱損失、固體未完全燃燒熱損失，鍋爐散熱損失比重小，但不可忽略。

2）通過煙氣余熱回收、延長灰渣停留時間、二次燃燒、空氣過量優(yōu)化控制、額定負(fù)荷運行等工藝，可以大大減少系統(tǒng)熱損失，從而提高總體熱效率。

4）煙氣預(yù)熱給水方案工藝簡單，投資少見效快，只要系統(tǒng)參數(shù)控制得當(dāng)，完全能滿足降低鍋爐排煙熱損失，從而提高鍋爐熱效率。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2015.10.006

2015-06-30）

王輝，高級工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）（熱能工程專業(yè)），博士，從事稠油熱采和熱能利用研究，E-mail：316328693@qq.com，地址：山東省東營市中石化石油工程設(shè)計有限公司科研所，257026。

國家科技重大專項（2011ZX05017-004-HZ01）；中石化勝利油田重點科技攻關(guān)項目（YKD1201）；中石化勝利油田博士后課題（GKB1301）。