油田注汽鍋爐結垢條件下安全與經濟性評價

袁鵬 (中石油新疆油田分公司工程技術研究院地面工程研究所， 新疆 克拉瑪依 834000)

目前，新疆油田公司主要采用稠油污水回用技術[1]減少廢水外排污染環境和節約大量清水資源，然而軟化器中的樹脂處理污水能力有限，回用污水在地層循環利用的過程中含鹽量明顯上升，致使水質狀況不斷惡化，最終使油田注汽鍋爐發生結垢[2]，導致爐管爆裂[3，4]，從而極大地影響注汽鍋爐運行的安全性與經濟性。

注汽鍋爐結垢成分的多樣性[5]會導致垢的導熱系數不同，所以有必要建立鹽垢沉積模型與注汽鍋爐熱力學計算仿真平臺，去實現在線預測注汽鍋爐在不同含鹽量下主要參數的變化趨勢，以迅速對鍋爐運行的安全與經濟性提出科學指導，為油田提質增效和節能減排[6]提出可靠依據。

1 鹽垢生成機理

圖1 結垢特征曲線

針對注汽鍋爐，一般認為結垢特征曲線為線性模型[7]，如圖1所示。在已知對流段和輻射段的爐管垢層厚度條件下，進行以下假設： ①選擇結垢模型為線性模型A； ②出口爐水鹽分含量高于入口爐水；③鹽垢均勻附著在爐管內壁上，對流爐管和輻射爐管的換熱面垢樣不同，其導熱系數不同； ④對流爐管換熱面結垢原因是隨著水溫的提升，鹽分溶解度降低；蒸發爐管換熱面結垢原因是鹽分在蒸汽中的溶解度很小，致使爐水鹽分濃度超過其相應的溶解度。

2 鍋爐結垢后數學模型的建立

2.1 鹽垢生成數學模型的建立

根據結垢是污垢沉積和剝離過程的凈結果[8]可列出爐水鹽分動態平衡方程組：

(1)

式中，ai、a、ao分別為進口爐水、蒸發段進口爐水、出口爐水含鹽量，kg/t；D為鍋爐蒸發(給水)量，t/h；mgd、mgf分別為對流段結垢量和蒸發段結垢量，kg；x為蒸汽干度；t為清洗周期，h。

由式(1)可得到蒸發段進口爐水含鹽量a為：

(2)

2.2 垢層厚度對爐管安全性影響模型的建立

當已知爐管壁厚時，爐管的可承受應力為：

(3)

式中，P為爐管可承受應力，MPa；Sm為爐管的壁厚，mm；D0為爐管的外徑，mm；C1為爐管的厚度負偏差，mm，按有關規定設計選取；C2為爐管的腐蝕裕量，取為3mm； [σ]t為爐管的許用應力，MPa。

2.3 鍋爐熱力計算數學模型的建立

利用反平衡法對鍋爐的熱效率進行計算：

η=100-∑q

(4)

式中，∑q=q2+q3+q4+q5；q2為鍋爐的排煙熱損失，%；q3為化學不完全燃燒熱損失，%；q4為機械不完全燃燒熱損失，%；q5為鍋爐散熱損失，%。

燃料消耗量計算式為：

(5)

式中，B為燃料消耗量，kg/s；igr為鍋爐蒸汽焓，kJ/kg；igs為鍋爐給水焓，kJ/kg；Dpw為鍋爐排污量，kg/s；ipw為排污焓，kJ/kg;Qr為燃料低位發熱量，kJ/kg。

圖2 鍋爐受熱面傳熱過程

(6)

傳熱總熱阻由煙氣側對流傳熱熱阻、煙氣側積灰產生的熱阻、受熱面金屬導熱熱阻、水或蒸氣側壁面水垢熱阻、水或水蒸汽對流傳熱熱阻構成[9]，如圖2所示。其總傳熱系數K為：

(7)

爐管壁溫tw的表達式為：

(8)

表1 不同水垢的導熱系數

結垢后爐管進出口壓差ΔPg表達式為：

(9)

圖3 仿真計算流程圖

式中, ΔPg為爐管進出口壓差，MPa；ρm為汽水混合物的密度，kg/m3；d為爐管內徑，m；L為爐管長度，m；λm為汽水混合物的摩阻系數，λm=f(Re)。

3 工程實例計算

以某稠油熱采供熱站中注汽鍋爐清洗垢物前后的實測數據來驗證其存在結垢后熱力學計算的準確性，其仿真計算程序流程見圖3。當設定排煙溫度和爐膛出口溫度時采用鍋爐熱平衡計算得出輻射段的吸熱量，再通過給定的污垢熱阻可計算壁溫和爐膛傳熱量，當爐膛傳熱量與輻射段的吸熱量相對誤差小于設定誤差值時，再進行對流段吸熱量和傳熱量的計算，否則需重新計算輻射段的吸熱量；當對流段吸熱量和傳熱量的相對誤差大于設定值時需重新設定排煙溫度初始值，直到計算結束為止。通過選用Matlab進行編程來實現仿真計算。其中，其輻射段垢樣為碳酸鹽水垢(CaCO3含量為60%左右)，其垢層厚度大約為0.83mm，導熱系數大約為1W/(m·℃)；對流段垢樣為無定型碳酸鹽水垢(CaCO3含量為15%左右)，垢層厚度大約為0.21mm，其導熱系數大約為0.2W/(m·℃)。

注汽鍋爐酸洗前后的數據對比見表2和表3。

表2 酸洗前后的數據對比

表3 酸洗前后實測數據與計算數據對比

通過鍋爐蒸汽壓力和系統壓降的計算值與實測值比較，其相對誤差均小于5%，說明該模型的建立可實現不同工況下油田注汽鍋爐存在結垢時的熱力學計算。

4 仿真計算與分析

4.1 蒸汽干度對熱效率和最大垢層厚度的影響

注汽鍋爐產生蒸汽干度高低直接影響采油率的高低，與鍋爐能耗也有直接聯系。當爐管管材20G溫度在450℃時，蠕變就會加速。為了安全運行，以爐管蠕變的極限溫度作為鍋爐安全運行的預警值，規定壁溫430℃對應的垢層厚度為最大垢層厚度。給水流量為17t/h時，蒸汽干度與注汽鍋爐熱效率的關系見圖4，不同壓力下蒸汽干度與最大垢層厚度的關系見圖5。給水流量為20t/h時，蒸汽干度與注汽鍋爐熱效率的關系見圖6，不同壓力下蒸汽干度與最大垢層厚度的關系見圖7。

從圖4和圖5可知，在蒸汽干度在0.7～0.8時，隨著蒸汽干度的增大，其鍋爐熱效率是降低的；在同等蒸汽干度下，當給水壓力增大時，其鍋爐的熱效率增加甚微；在同等給水壓力下，給水量越大會使鍋爐的熱效率略有降低。綜上所述，蒸汽干度對鍋爐熱效率的影響是較為明顯的。所以要提高蒸汽干度，就要加強對注汽鍋爐運行的管理。從圖6和圖7可知，最大垢層厚度與蒸汽干度、給水壓力、給水量相關。當單因素改變鍋爐的運行時，蒸汽干度增大或給水壓力減小或給水量減小時，垢層厚度的最大允許值都會逐漸增大，據此可為鍋爐安全運行管理提供指導。

圖4 給水量為17t/h時不同壓力下蒸汽干度與 圖5 給水量為17t/h時不同壓力下蒸汽干度與 鍋爐熱效率的關系 最大垢層厚度的關系

4.2 注汽鍋爐結垢前后的經濟性與安全性評價

計算中垢層厚度在0～2.0mm范圍內。目前，工業用天然氣的費用約為1.02元/m3。按照一臺注汽鍋爐一年運行365d，折標系數為1.331kgce/m3。在不同壓力下，得到垢層厚度與注汽鍋爐年氣耗的關系見圖8，垢層厚度與注汽鍋爐年增加折標煤量的關系見圖9，垢層厚度與注汽鍋爐年增加燃氣費的關系見圖10。

圖6 給水量為20t/h時不同壓力下蒸汽干度與 圖7 給水量為20t/h時不同壓力下蒸汽干度與 鍋爐熱效率的關系 最大垢層厚度的關系

圖8 不同壓力下垢層厚度與注汽鍋爐年氣耗的關系 圖9 不同壓力下垢層厚度與年增加折標煤量的關系

圖10 不同壓力下垢層厚度與年增加燃氣費的關系 圖11 給水量為20t/h時不同壓力下垢層厚度與 注汽鍋爐壓降的關系

圖12 給水量為20t/h時不同壓力下垢層厚度與 圖13 給水量為20t/h時不同壓力下垢層厚度與 注汽鍋爐氣耗的關系 注汽鍋爐壁溫的關系

從圖8～圖10可知，給水量分別為17t/h和20t/h時，在不同壓力下隨著垢層厚度的增加(0～2mm)，注汽鍋爐年氣耗增量和燃料費都會大幅度的增長且在低壓運行時更多。

給水量為20t/h時，在不同壓力下，垢層厚度與注汽鍋爐壓降的關系見圖11，垢層厚度與注汽鍋爐氣耗的關系見圖12，垢層厚度與壁溫的關系見圖13。其中，相對增量比是結垢前后壓降(氣耗差或壁溫差)與其無垢時的壓力(氣耗或壁溫)的比值。從圖11～圖13可知， 從經濟性的角度考慮，隨著垢層厚度的增加，氣耗的相對變化較小，其相對增量比不到5%；系統壓降變化明顯，其相對增量比在不斷增大且變化梯度無規律可尋；從安全的角度考慮，爐管壁溫變化最為明顯且變化趨勢近似線性增長(在爐管極限溫度以內)。因此，有效的監測爐管壁溫是安全運行的必要手段，其次是對系統壓降的實時檢測，爐管壁溫的變化量可作為判斷注汽鍋爐結垢的第一選擇，系統壓降的變化量可作為輔助判據。

5 結論

1)結合鹽垢生成模型與鍋爐熱力學計算，建立了鹽垢存在時注汽鍋爐熱力計算在線預測仿真平臺。

2)得到注汽干度在0.7～0.8時注汽鍋爐熱效率的變化規律以及不同工況下鹽垢增長與能耗的關系。

3)爐管壁溫的變化量可作為判斷注汽鍋爐結垢的第一選擇，系統壓降的變化量可作為輔助判據。

[參考文獻]

[1]唐麗.新疆油田稠油污水處理回用蒸汽鍋爐的跟蹤研究[J].石油工程建設，2012,38(6)：86～87，110.

[2] 叢彬龍,韋麗娃,郭淑娟.油田注汽鍋爐結垢爆管原因分析及預防措施[J].油氣田地面工程,2017,36(4):1～3.

[3] 張亮,申龍涉,徐建普,等.結垢所導致的鍋爐爆管分析[J].當代化工,2011,40(1):77～79，84.

[4] 鹿欽禮,劉德俊,馬貴陽,等.注汽鍋爐高含鹽回用水引發爆管分析[J].遼寧石油化工大學學報,2010,30(2):19～22.

[5] 檀朝東,魏新春,王卓飛，等.克拉瑪依油田蒸汽鍋爐結垢類型及成因分析[J].中國石油和化工,2007(18):44～47.

[6] 周建平,謝強,郝軍,等.稠油熱采注汽鍋爐節能減排措施實踐[J].油氣田環境保護,2011,21(3):29～32，68.

[7] 孫卓輝.換熱面上結垢過程數值模擬[D].北京：中國石油大學,2008.

[8] 蘇暢.污垢對能量傳遞過程影響的機理研究及其應用[D].重慶：重慶大學,2008.

[9] 呂俊復,張建勝,岳光溪,等.循環流化床鍋爐燃燒室受熱面傳熱系數計算方法[J].清華大學學報(自然科學版),2000,40(2):94～97，101.

[10] 王嬌.油田注汽鍋爐水垢的形成、危害及清除[J].黑龍江科技信息,2008(12):43，23.