注汽鍋爐能流分析與節能優化研究

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（華東）儲運與建筑工程學院）

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注汽鍋爐能流分析與節能優化研究

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（華東）儲運與建筑工程學院）

為了有效提高注汽系統用能效率，減少稠油生產能耗和污染排放，提高經濟效益，以注汽鍋爐本體及機組系統為研究對象，建立了能量平衡模型和兩箱平衡模型。對春風油田注汽系統進行了能耗測試，并根據測試數據計算得出用能評價指標，確定了能流分布規律，找出用能薄弱環節，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、空氣過量優化控制、額定負荷運行等工藝節能優化措施，為實現注汽系統高效用能提供了理論依據。

注汽系統能耗測試能流分析節能優化

全球對溫室氣體和污染氣體減排要求越來越高，與此同時，全球油價正在經歷著史上少有的低谷時期。國內油田生產企業面臨著越來越嚴峻的減少排放和降低成本的雙重壓力，節能降耗逐漸成為石油生產企業保持可持續發展的必要手段。稠油注汽系統是油田生產企業最主要的耗能環節，因此了解注汽系統用能水平，找出與先進企業的差距，確定節能潛力以便科學指導企業節能工作，變得非常有意義［1］。注汽系統能耗的影響因素較多，且各因素之間的相互作用非常復雜，很難單獨就某種因素對系統的能耗影響規律進行合理分析，需要通過科學、有效的能耗分析手段，建立系統用能分析模型［2-5］，對影響能耗的各因素進行系統全面的分解剖析，確定合理的用能分析與評價指標，確定注汽系統節能降耗的方向，為制定能耗控制措施和指導生產工藝節能奠定基礎［6-10］。以春風油田為例，對注汽鍋爐系統進行能耗測試，并進行平衡計算，得出用能指標［11-14］，確定能流分布，把握薄弱環節，并依此提出節能優化措施。

1　注汽站工藝流程

春風油田北部注汽站內鍋爐額定流量為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：經過處理后合格的軟化除氧水進入高壓柱塞泵入口端，經柱塞泵升壓后打入套管式給水預熱器，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。經預熱后的水進入一、二級對流段，吸收煙氣熱量后再進入水-水換熱器作為熱源加熱給水，經冷卻后進入三級對流段并被加熱到飽和后再送入輻射段，水在輻射段經加熱汽化后變為14.2 MPa高壓濕蒸汽，干度達到70%～80%，然后送出系統。煙風流程則較為簡單：外部冷空氣經過送風機升壓后進入空氣預熱器，受高溫煙氣加熱后再由鏈排底部的送風口吹入爐膛，原煤燃燒后產生的高溫煙氣分別流經輻射段和三、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器回收部分熱量，再經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定運行狀態下，鍋爐輸入熱量與輸出熱量及各項熱損失之和的熱量平衡。在鍋爐系統中，輸入系統的能量有燃料釋放的熱能，燃料泵系統、風機系統輸入的電能以及燃料攜帶的顯熱等。輸出系統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，輸入鍋爐的熱量應等于輸出鍋爐的熱量，對應l kg燃料的鍋爐熱平衡，其數學模型表示如下：

圖1　鍋爐內部汽水及煙風工藝流程

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）用方程右側各項熱量占輸入熱量的比值百分數來表示，則有

其中

鍋爐用能效果評定準則為熱效率，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

對注汽鍋爐進行能耗測試的依據是SY/T 6275—2007《油田生產系統節能監測規范》、GB/T 15317—2009《燃煤工業鍋爐節能監測》、SY/T 6835—2011《稠油熱采蒸汽發生器節能監測規范》，以及SY/T 5264—2006《油田生產系統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口溫度與環境溫度，以此為基礎完成鍋爐正平衡效率的測試。通過對煙氣、灰渣進行組成分析、溫度測試，對鍋爐外表進行熱流密度測試，以此為基礎完成鍋爐反平衡效率的測試［15］。測試結果如表1所示。

表1　注汽站鍋爐正反平衡測試結果

由以上數據可以看出：鍋爐系統正反平衡效率絕對誤差小于5%，說明系統的測算調研準備充分，測試過程合理，調研所得測試數據較為準確，測試計算結果具有較高可靠性；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，并且鍋爐實際負荷率低，造成較大的散熱損失；過量空氣系數大，導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稍高，維持在1.2～1.4之間，可以看出本鍋爐過量空氣系數過大，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、外部的各個用能設備和過程逐個分析，除需要計算輸入、輸出體系的物流（能）值，還需計算設備各個能量傳遞和轉換過程的（能）損失及損系數。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果

表2　注汽站鍋爐平衡兩箱分析結果

黑箱模型物流帶入/ kW 9.112 46白箱模型燃燒損系數/ % 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/ % 25.943 26排煙損系數/ % 4.485 105散熱損系數/%反平衡效率/% 7.61E-0223.421 36

由以上表格數據可以看出：

2）燃料燃燒過程是從能量存儲的化學能變為高溫煙氣熱能的過程，必然要損失一定的做功能力，這是由功與能的本質區別造成的；當高溫煙氣向鍋爐給水傳熱時，溫度從1200℃向120℃的水傳熱，巨大的不可逆傳熱溫差是造成系統損失大的原因，加上煙氣排放攜帶損失，綜合造成的效率遠遠低于系統的熱效率。

4　提高鍋爐效率的途徑

4.1節能措施建議

1）排煙溫度過高，說明燃燒釋放的熱量沒有被工質充分吸收，因此對蒸汽鍋爐可以采取如下的改進措施：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；增設其他余熱回收裝置。由于蒸汽鍋爐因結構所限難以改造，可在煙管與煙囪之間增設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節［20］。通過延長灰渣在爐內停留時間，收集飛灰中的固體可燃物重新利用，改善爐排結構以減少漏煤量，采用分區配風、送二次風、改進爐拱結構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）鍋爐送風優化控制。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，即過量空氣系數總是大于l。考慮到配風量小不完全燃燒熱損失增加，配風量大則排煙損失增加，因此過量空氣系數α過大或過小都對燃燒不利。為使蒸汽鍋爐過量空氣系數處于合理、科學的范圍，可以采用送風自控系統，實現鍋爐送風優化控制。

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

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，綜合進行會降低系統的損失量。由于鍋爐給水由給水泵提供，余熱溫度過高給水泵會發生氣蝕現象，因此需要綜合考慮鍋爐的給水預熱溫度。

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

4.3煙氣余熱裝置設計與節能評價

表3　單臺熱管省煤器工藝參數

按照上述工藝方案可以給出其經濟型評價結果（表4）。

表4　單臺省煤器節能效果分析

5　結論

1）通過能耗測試和能量平衡計算可知，鍋爐用能薄弱環節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、空氣過量優化控制、額定負荷運行等工藝，可以大大減少系統熱損失，從而提高總體熱效率。

4）煙氣預熱給水方案工藝簡單，投資少見效快，只要系統參數控制得當，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年畢業于中國石油大學（華東）（熱能工程專業），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項目（YKD1201）；中石化勝利油田博士后課題（GKB1301）。