油田注汽鍋爐能效評價方法探討

萬喜軍 陳敏（新疆工程技術研究所）

1 現狀分析

1.1 油田注汽鍋爐

油田注汽鍋爐（蒸汽發生器）是稠油注蒸汽開采的主要設備，按照生產蒸汽的性質，主要分為兩種：第一種是常規油田注汽鍋爐，生產濕飽和蒸汽，干度80%，額定蒸發量7～22.5 t/h，設計熱效率大于或等于85%；第二種是過熱油田注汽鍋爐，生產過熱蒸汽，過熱度為5～23℃，額定蒸發量9～22.5 t/h，設計熱效率大于或等于90%。運行10年以上的油田注汽鍋爐熱效率大部分低于90%，主要表現為排煙熱損失大，對其進行節能監測評價主要包括鍋爐熱效率、排煙溫度、空氣系數、表面溫度四方面[1-6]。

油田注汽鍋爐的耗電設備主要是給水泵與風機，給水泵的電動機功率75～160 kW，鼓風機的功率37～75 kW，部分配備有煙氣預熱回收裝置的鍋爐，安裝有引風機，功率約11～22 kW，電能的消耗獨立計量。

目前，油田注汽鍋爐運行時，其本身要消耗一部分蒸汽（例如注汽站供暖及管線伴熱）和電能（水泵，風機等），然而，采用正反平衡熱效率評價的油田注汽鍋爐能耗指標為不扣除自用蒸汽和輔機設備耗動力折算熱量的效率。

1.2 檢測現狀

工業鍋爐熱工試驗標準是從JB 2829—1980、JB 2829—1988《工業鍋爐熱工試驗》、GB 10180—1988《工業鍋爐熱工試驗規范》至GB/T 10180—2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》一步步演變過來的。2011年之前，油田注汽鍋爐的熱工測試主要依據GB/T 10180《工業鍋爐熱工測試規范》、TSG G0003—2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》、TSG G0002—2010《鍋爐節能技術監督管理規程》與檢測單位自行制定的測試規范來進行；但GB/T 10180標準僅規定了小于3.8 MPa的所有蒸汽鍋爐和熱水鍋爐，其中包括：過熱蒸汽鍋爐，真空鍋爐，常壓鍋爐和小型鍋爐的熱工性能試驗方法。而油田注汽鍋爐的壓力范圍為8～26 MPa，GB/T 10180并不適用于油田注汽鍋爐的熱工性能試驗與檢測。

同時，現有的關于鍋爐熱效率的測試和評價標準，在壓力、蒸汽流量、蒸汽溫度、鍋爐類型等方面都有規定，基本都不適合油田注汽鍋爐。如GB/T 10820—2011《生活鍋爐熱效率及熱工試驗方法》適用于壓力不大于0.7 MPa（表壓）的蒸汽鍋爐、熱水鍋爐以及常壓熱水鍋爐和真空相變熱水鍋爐；GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規程》適用于蒸汽流量不低于35 t/h，蒸汽壓力不低于3.8 MPa，蒸汽溫度不低于440℃的電站鍋爐；TSG G0003—2010適用于額定壓力小于3.8 MPa的蒸汽鍋爐和熱水鍋爐。

由國家能源局發布中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 6835—2011《稠油熱采蒸汽發生器節能監測規范》，2011年10月1日實施，油田注汽鍋爐的熱工監測依據此標準進行。但是，該規范在檢測方法上，還是沿用GB/T 10180中的規定；在檢測結果評價中，依然從熱效率、排煙溫度、空氣系數、表面溫度方面對蒸汽發生器是否為節能監測合格設備進行判定。

2 傳統熱效率計算方法

2.1 正平衡法

正平衡法是直接測定輸入鍋爐的熱量（燃料帶入鍋爐的熱量）和鍋爐的輸出熱量（水和水蒸氣所吸收的有效利用熱量）[7-9]，按下式計算：

對于油田注汽鍋爐來講，一般均不用外部熱源預熱空氣，輸入熱量為天然氣低位發熱量。對于常規油田注汽鍋爐，生產干度為80%的濕飽和蒸汽，其正平衡熱效率可用下式表示：

式中：η——熱效率，%；

D——鍋爐實際蒸發量，m3/h（kg/h）；

ibq——飽和蒸汽焓，kJ/kg；

igs——給水焓，kJ/kg；

γ——汽化潛熱，kJ/kg；

x——蒸汽干度，%；

B——燃料消耗量，m3/h（kg/h）；

對于過熱油田注汽鍋爐，生產過熱蒸汽，其正平衡熱效率可用下式表示：

式中：igq——過熱蒸汽焓，kJ/kg。

2.2 反平衡法

反平衡法是測出鍋爐的各項熱損失，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。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：η——熱效率，%；

q2——排煙損失熱量，%；

q3——氣體不完全燃燒損失熱量，%；

q4——固體不完全燃燒損失熱量，%；

q5——鍋爐散熱損失熱量，%；

q6——鍋爐外排損失熱量，%。

3 油田注汽鍋爐凈效率計算模型

鍋爐設備運行時，要全面考核鍋爐的效率及進行經濟性比較時，鍋爐正反平衡熱效率只是針對鍋爐本體熱能利用效果的評價，并不全面，因此，需將鍋爐本身所消耗的蒸汽和電能作為熱損失計入鍋爐效率。

對于常規油田注汽鍋爐，生產干度為80%的濕飽和蒸汽，其凈效率可用下式表示：

對于生產過熱蒸汽的過熱油田注汽鍋爐，其凈效率可用下式表示：

式中：Dz——自用蒸汽總耗量，m3/h（kg/h）；

Nz——自用電總耗量，kWh/h；

b——生產單度電煤耗，kg/kWh；（通常取b=0.5 kg/kWh）；

4 油田注汽鍋爐實測能效分析

對油田注汽鍋爐的實測能效對比表明，運用正平衡法與反平衡法對鍋爐進行傳統熱效率測試，并不能全面反應鍋爐的真實能耗，運用凈效率模型更能全面的反應鍋爐的能耗，是鍋爐全面評價方面更為合理的指標。以1臺22.5 t/h常規油田注汽鍋爐（自帶煙氣余熱回收裝置）為例，運用幾種方法進行能耗測試分析（表1）。

以上分析表明：鍋爐運用正/反平衡法測試的平均熱效率達到96.77%，而運用凈效率模型的凈效率為93.72%，鍋爐的電耗占鍋爐總耗能量的3.81%，排煙熱損失、散熱損失等占2.47%，由此可見，鍋爐降低排煙熱損失、散熱損失等方面潛力不大，而在節電方面有很大潛力，鍋爐節能降耗方面應以節電為突破點，而并不是一味的追求降低排煙溫度來提高鍋爐熱效率。運用凈效率模型測試鍋爐熱效率更能全面的反應鍋爐的能耗，是全面評價鍋爐能效更為合理的指標。

表1 22.5 t/h常規油田注汽鍋爐幾種方法能耗測試數據

5 結論

1）對油田注汽鍋爐的能效評價，運用正、反平衡熱效率對鍋爐進行傳統熱效率測試，并不能全面反應鍋爐的真實能耗。

2）油田注汽鍋爐能效評價，運用含有鍋爐自身消耗的蒸汽和電能項的鍋爐凈效率評價方法更為合理，更能全面的反應鍋爐的能耗，是全面評價鍋爐能效更為合理的指標。

[1]李愛仙，辛定國，張管生，等.設備熱效率計算通則：GB/T 2588—2000[S].北京：中國標準出版社，2000：1-2.

[2]張管生，辛定國，陳海紅，等.企業能量平衡通則：GB/T 3484—2009[S].北京：中國標準出版社，2009：2-3.

[3]李鋼，翟克俊，成建宏，等.用能設備能量測試導則：GB 6422—2009[S].北京：中國標準出版社，2009：1-2.

[4]劉復田，李之光，王昌明，等.工業鍋爐熱工性能試驗規程：GB/T 10180—2003[S].北京：中國標準出版社，2003：1-9.

[5]張曉明，賈鐵鷹，趙欽新，等.生活鍋爐熱效率及熱工試驗方法：GB/T 10820—2011[S].北京：中國標準出版社，2012：1.

[6]俞谷穎，劉振琪，張富祥，等.電站鍋爐性能試驗規程：GB/T 10184—2015[S].北京：中國標準出版社，2016：37-44.

[7]管堅，劉明，劉曉波，等.工業鍋爐能效測試與評價規則：TSG G0003—2010[S].北京：新華出版社，2010：1.

[8]管堅，劉曉波，劉明，等.鍋爐節能技術監督管理規程：TSG G0002—2010[S].北京：新華出版社，2010：2.

[9]辛定國，陳海紅，李愛仙，等.節能監測技術通則：GB/T 15316—2009[S].北京：中國標準出版社，2009：1-2.